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基础设施是产业痛点 加氢站搭台奠定基础
>>加氢站引发重视,业界呼吁推动基础设施发展
国内燃料电池汽车的发展仍处于导入期阶段,主要制约因素在于两个方面: 一是基础配套设施不完善(加氢站少),二是燃料电池产业链国产化程度有待提升,目前电堆产业链达到50%,成本依然较高。
加氢站之于燃料电池汽车,犹如加油站之于传统燃油汽车、充电站之于纯电动汽车,是支撑燃料电池汽车产业发展必不可少的基石。燃料电池汽车的发展和商业化离不开加氢站基础设施的建设。若没有完善的加氢站基础设施布局,则很难支撑起燃料电池车应用规模的扩大,因此加氢站的建设是产业发展的关键因素。
国内加氢站较少,建设速度需要继续提升。2016年初全国运营加氢站只有3座,北京永丰、上海安亭和郑州宇通。经历2年多的发展;目前正在运营的超过19座,分别位于北京、上海、江苏、大连、安徽、河南、广东等地。2018年开工建设的加氢站23座,规划加氢站44座。虽然这两年加氢站建设提速,但是相对于氢燃料电池产业需求,加氢站数量远远不够。
加氢站缺乏现状引起产业界关注,2019年两会期间,众多能源巨头和车企和高管均有推动加氢站建设建议,主要包括:(1)制定加氢站等基础设施规划;(2)健全加氢站建设、规范和审批制度;(3)加大加氢站补贴力度。
>>加氢站工作原理和建设模式
现有加氢站技术来源于天然气加气站,有两种建设方式:1)站内制氢供氢加氢站技术;2)外供氢加氢站技术。中国加氢站以外供氢路线为主。
1)站内制氢加氢站技术:来源于天然气管网标准加气站原理,即加氢站内有制氢设备(如天然气重整制氢)产生氢气(相当于天然气管道输送来的气源)和加气站设备的组合。
2)外供氢加氢站技术:来源于天然气母站和子站原理,即从外面工厂(相当于母站提供气源)经加氢站(子站)二次加压完成对外加气。
加氢站的工作原理(以外供氢加氢站为例):氢气通过管束槽车运输至加氢站,经由氢气压缩机增压后储存至站内的高压储罐中,再通过氢气加气机为燃料电池汽车加注氢气。当管束槽车的压力足够高时,可从槽车中直接给车辆加氢;压力不够部分从氢气高压储罐中给汽车进行补充氢气。
实际操作中,氢气储罐可由多个压力级别不同的储罐并联而成,先将低压储罐中的氢气用于加注,直到低压储罐与车载容器达到压力平衡,再换为高压储罐进行加注。
>>加氢站核心设备依赖进口,国产化逐步开启
加氢站的主要设备:包括储氢装置、压缩设备、加注设备、站控系统等,其中压缩机占总成本较高(约30%)。目前设备制造的发展方向主要是加速国产化进程,从而降低加氢站的建设成本,促进氢能产业链的发展。
高压储氢装置:一般有两种方式,一种是用具有较大容积的气瓶,该类气瓶的单个水容积在600L~1500L之间,为无缝锻造压力容器;另一种是采用小容积的气瓶,单个气瓶的水容积在45L~80L。从成本角度看,大型储氢瓶的前期投资成本较高,但后期维护费用低,且安全性和可靠性较高。北京永丰加氢站储氢装置是美国 CPI 公司生产的 TAE/EVO-121 氢气高压储罐。
氢气压缩设备:常用的氢气压缩设备为隔膜式压缩机,该型压缩机靠金属膜片在气缸中作往复运动来压缩和输送气体。氢气压缩机在加氢站中占据重要地位,目前我国加氢站所采用的氢气压缩机仍需外购。未来国内加氢站与生产压缩机的外资企业加强合作以及加快国产化速度的情况下,有望将压缩机的成本减少50%以上。
氢气加注设备:氢气加注设备与天然气加注设备原理相似,由于氢气的加注压力达到35Mpa,远高于天然气25Mpa的压力,因此对于加氢机的承压能力和安全性要求更高。根据加注对象的不同,加氢机设置不同规格的加氢枪。如安亭加氢站设置TK16和TK25两种规格的加氢枪,最大加注流量分别为2kg/min和5kg/min。加注一辆轿车约用3-5分钟,加注一辆公交车约需要10-15分钟。
站控系统:作为加氢站的神经中枢,站控系统控制着整个加氢站的所有工艺流程有条不紊的进行,站控系统功能是否完善对于保证加氢站的正常运行有着至关重要的作用。
中国所生产的加氢站设备各项技术指标仍有欠缺,但是目前国产化已经开启,业内企业在各领域均推出自主产品。
高压储氢装置:2018年1月,安瑞科生产87.5MPa缠绕大容积储氢容器用于863项目70MPa加氢站。该储氢容器率先采用了碳纤维全缠绕增强钢内胆的结构形式,解决了结构设计、成型工艺、密封、氢脆等多个技术难题,填补了国内空白,技术达到世界领先水平。
氢气压缩设备:北京天高和江苏恒久机械均有隔膜压缩机研发,北京天高压缩机产品运用在国内近十座加氢站的项目,参与了国家科技部环保新能源“863”计划中的汽车加氢项目。
氢气加注设备:张家港富瑞氢能加氢机取得国内整机防爆认证,并且供应国内超过15座加氢站项目。上海舜华35MPa加氢机已成功应用于世博会加氢站和大运会加氢站。
大规模低成本氢气是产业关键,氯碱制氢+气氢拖车是当下合理路线
氢之于燃料电池,正如石油之于传统汽车、锂矿石之于电动车,为必不可少之基础。燃料电池产业的发展,便捷地获得低成本的氢燃料成为行业能否顺利发展的关键。氢气的成本主要包括制氢和储运成本,当下氢气核心在于采取合理制氢和储运方式。
我们认为现阶段最佳的制氢和运氢方式搭配为:氯碱工业副产氢+气氢拖车运输,其氢气成本范围在17.9~19.2元/kg。该氢源路线的选择主要是基于成本和环保的角度考虑的。此外,通过测算氢气作为燃料的经济性,我们得出结论:如果使氢燃料电池车具有较强的竞争力(百公里耗氢成本较百公里耗油成本低20%以上),则氢气到站成本需控制在22.78元/kg以下。
氯碱工业副产氢是目前最现实的大规模燃料电池用氢气的来源:在现阶段,选择成本较低、氢气产物纯度较高的氯碱工业副产氢的路线,已经可以满足下游燃料电池车运营的氢气需求;在未来氢能产业链发展得比较完善的情况下,利用可再生能源电解水制氢将成为终极能源解决方案。
气氢拖车是未来一段时间的主要运输方式。基于200km左右运输距离和每天10吨的运输规模来看,气氢拖车的成本可以达到2.02元/kg, 液氢罐车是未来的重要方向,其运输能力是气氢拖车的十倍以上,配合大规模可再生能源或者核电的弃电,是燃料电池大规模部署后的氢气解决方案。
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