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图1 全球加氢站数量与国家(地区)分布
图2 我国加氢站建设趋势与特性统计
全球加氢站呈现出外供高压气氢35/70 MPa加氢站、外供液氢35/70 MPa加氢站与现场制氢加氢站等多种技术形态。加氢站的主要技术装备包括氢气压缩机、储氢容器、加氢机、冷冻机、液氢泵与工艺控制系统等,如图3所示。
图3 高压气态加氢站与液氢加氢站工艺配置图
当前,高压气态长管拖车为最成熟的加氢站供氢方式,具有一定灵活性和成本优势。欧美日韩等先发国家自发展燃料电池汽车以来,主要针对乘用车应用进行开发,其压力等级主要以70 MPa为主,车载储氢瓶主要为Ⅳ型瓶储氢瓶。近年来,物流、大巴、重型卡车等商用燃料电池汽车发展迅猛,美国等国也在开始推动低成本大储量型加氢站的建设。为适应规模化氢气加注,液氢加氢站具有储氢容量高等优势,其发展也较为成熟。日本、美国等国在液氢加氢站建设方面也处于领先地位,已实现商业化运营。此外,站内制氢方式可省去较高的氢气运输费用,美国、德国等国家在氢能发展初期出于综合成本考虑,发展了一定比例的在线制氢加氢站。建设油气氢电一体化的能源综合站是目前氢能应用落地的最好方式之一,有效节约了土地资源,并依靠已有加油站销售网络、弥补加氢站的经营性亏损。
根据美国能源部的测算,500 kg/d加注能力的加氢站平准化成本中,压缩机成本占50%以上,制冷设备与加氢机紧随其后,如图4所示。除建设投资外,整站的运行能耗与维护成本占比超过50%,归因于压缩机、加氢机等关键装备的可靠性不足、压缩与预冷等功能运行能耗高等。
图4 加氢站成本结构与关键技术分析
目前,基于燃料电池汽车细分市场布局,美国、欧洲和日韩均将70 MPa氢气加注技术、液氢加注视为未来的主流发展方向,聚焦高压气态加氢技术规模化和液氢加注技术产业化,重点围绕加氢站“设备成本”“可靠性”“运行能耗”三个关键降本性能指标推进整体技术研发。
美国在2011年就制定了氢储运加技术路线图,如图5所示,以分布式制氢与集中式制氢两种场景,分别设定了1.7美元每加仑与2美元每加仑[1加仑(美)=3.785 L]的加氢站终端交付成本目标,以及氢气压缩机能耗不高于1.4 kWh/kg,寿命高于10年;不同应用场景下液氢泵成本下降30%~70%,寿命高于10年;加氢机成本下降20%的发展目标。在技术路线上,近期以70 MPa高压气态供氢加氢技术攻关为主,中远期进行广泛的液氢储氢加氢站部署。在技术开发上,高压气态供氢加氢技术具体侧重氢气压缩机、电化学压缩技术、70 MPa加氢机等关键设备的研究,以获得更高的加氢效率、更长的寿命与稳定性,并开展高效液氢泵的研发布局。此外,在加氢机标准方面,美国汽车工程师学会(SAE)制定了SAE J2601加注协议,保障加注过程的安全,并掌握加氢机装备开发的国际话语权。
图5 美国加氢站技术关键指标目标
欧盟在2013年制定了加氢技术路线图,欧盟内部强调氢能在加注阶段的经济性,从整站的寿命、稳定性、能耗等方面制定了技术目标。2018年在FCH2JU框架下,基于产业发展趋势与现状更新了加氢技术2030年技术发展展望,整站能耗目标下降至3 kWh/kg,投资成本降至1300~2400欧元/(kg·d),年维护费用降至0.3欧元/kg,平均故障间隔时间超过5个月,如图6所示。同时表示将优先研究液氢储存和加注技术,以扩大集中式制氢站点的供应并使其具有商业可行性。
图6 欧盟加氢站技术关键指标目标
日本在《氢能基本计划》中设定了一系列加氢站经济性目标,如图7所示,计划2030年氢气供应价格降至30 日元/Nm3,单个加氢站建设费用低于2.3 亿日元,年付运营费用低于2000 万日元,并在《能源基本计划》等顶层设计文件下推动加氢站建设与技术突破,使得日本加氢站建设数量一度位居全球前列。为了实现在2020年代末期实现加氢站技术的完全自主化,日本以NEDO为核心开展了加氢站监管改革、降低加氢站成本、国际合作三方面的工作。主要的技术突破点有加氢站远程操控系统与风险评估、新型电化学压缩机研发、较高温度下氢气加注方法的研发等。
图7 日本碱性电解水制氢技术关键指标目标
韩国当前绝大多数加氢站均为长管拖车外供站,仅建成制氢加氢一体站一座。就容量而言,HRS分为两大类:650 kg/d的常规加氢站和1000 kg/d加氢能力的公交加氢站。韩国环境部近期发布了《加氢站战略部署计划》,计划到2025年在全国226个市、县和区原则上建设1个以上的加氢站,到2040年实现在全国各地,驾车行驶15 min便能够到达至少一个加氢站。技术方面注重自主化率,通过压缩机,高压阀门,储存容器等核心部件和加注技术的国产化,计划到2030年实现加氢站100%国产化率。
总的来说,各国均对高压气态35 MPa/70 MPa气态加氢站及液氢加氢站技术同时进行技术开发,通过高可靠性及高效率的氢气压缩机与液氢泵、高效加氢机等核心材料及组件的研究及国产化应用,来提高加氢站系统整体的可靠性和使用寿命,降低加氢成本等。
2 我国加氢技术发展对标
国际上,美国、日本、欧洲等国家和地区在加氢站技术开发方面起步较早,90%以上加氢站具有70 MPa加氢能力,以液氢储存的大容量加氢站日加氢量可超过2000 kg,加氢站全负荷、高可靠运行技术持续进步,支撑氢能基础设施全周期成本逐步降低。我国重点发展燃料电池商用车,采用35 MPa的Ⅲ型瓶用于车载储氢,氢能供应以20 MPa的高压管束形式为主,尚无液氢加氢站运行经验,同时站内制氢加氢站受法规与标准限制,因此我国当前建成的加氢站绝大多数为外供高压气态氢的35 MPa加氢站。随着我国燃料电池车的规模化应用,我国加氢站将逐步由当前的低负荷、粗放式加氢运行状态过渡至高密度、快速加氢的全负荷运行状态;燃料电池车在大负载、长续航场景下拓展应用,将出现储氢密度更高的70 MPa加氢需求。我国加氢站技术与美国、日本、欧洲等国家和地区仍然有一定差距:一方面,现役35 MPa加氢站尚未经历高负荷加氢工况下的性能和可靠性验证,存在较大优化空间,35 MPa加氢站关键装备的核心零部件依赖进口,有待深入开发;另一方面,70 MPa加氢站关键装备完成攻关后,仍需经过加氢站应用验证,进一步提高性能与可靠性,攻克核心零部件国产化,提高竞争力。此外,用于大规模加氢的液氢站技术基本处于研发空白状态。
在加氢技术与装备方面,目前,我国基于国产Ⅲ型储氢瓶的35 MPa快速加氢控制技术,加氢性能和安全性达到国际同类先进水平,与SAE J2601氢气加注协议标准兼容,在多个加氢站实现商业化应用。在70 MPa加氢机方面尚处于样机阶段。为了达到乘用车3~5 min内完成加氢5 kg的需求,国际上均采用预冷至-40 ℃的氢气进行70 MPa加注。美国NREL国家实验室对40余座加氢站的运行数据分析结果表明,70 MPa加氢预冷能耗高,平均值达到2.5 kWh/kg。鉴于此,国际上开展了低功耗制冷及氢气换热技术的开发。日本NEDO和美国DOE均支持了高效率的氢气换热器开发,能够实现高压氢气的高效换热,已在多个加氢站应用。与此同时,加氢装备的核心零部件,包括高精度高压氢气质量流量计、传感器、调压阀以及高可靠加氢枪等,由美国、日本、欧洲等国家和地区垄断,我国对其的进口依赖度高,有待开发相关核心技术和零部件制造技术。此外,美国、欧洲、日本等国家和地区已实现加氢机-车辆通信辅助加氢,我国在该领域有待突破。
在压缩机技术装备方面,我国自主开发的45 MPa压缩机已经应用在35 MPa加氢站,排量达到500 Nm3/h,并累计运行最高超过5000 h。为突破70 MPa加氢站用90 MPa压缩机,我国正在进行技术攻关,预计2023年开展示范,压缩机排量将达到200 Nm3/h,实现无故障连续运行500 h以上。与国外同类型压缩机相比,我国压缩机的可靠性,尤其是关键零部件的寿命有待进一步提高。国外已经突破了耐超高压、长寿命、大面积的金属膜片材料及其加工制造技术,美国PDC公司制造的45 MPa压缩机单缸排量超过750 Nm3/h,单级压缩比最高达到9,在加氢站操作工况下膜片期望寿命均超过4500 h,90 MPa压缩机两级压缩排量达到560 Nm3/h以上,两级综合压缩比超过18。
在液氢泵技术装备方面,国外以Linde公司为代表已成功研制了高压液氢活塞泵,可单级压缩且最大加注能力达到120 kg/h,出口压力可达87.5 MPa,流量为30 g/s,能耗仅有0.6 kWh/kg,而国内目前尚无成熟的高压液氢泵产品,国内在建的液氢加氢站采用的液氢泵均为进口产品。国内液氢泵目前仍处于样机研制阶段,出口压力仅能达到10 MPa,技术基础薄弱。
在加氢站工艺和控制方面,我国自主开发了35 MPa加氢站新工艺以及相应的自动化控制系统,目前处于示范阶段,预计将提高加氢站日加氢能力10%以上。根据美国NREL国家实验室的分析结果表明,加氢机和压缩机是加氢站故障率较高的设备,加氢机相关的故障事件数目占比达到57%,严重影响了加氢站的经济性。美国能源部(DOE)支持了NREL国家实验室和AP公司开展加氢机可靠性测试技术开发以及影响因素研究,以指导加氢机可靠性提升技术开发。与此同时,DOE、NREL国家实验室和PDC公司对压缩机进行了可靠性研究,发现加氢站运行工况下,压缩机的频繁启停和压力循环导致金属隔膜寿命下降,有待开发更可靠的加氢站工艺和控制技术,从而提高压缩机可靠性,降低维护成本。
在加注协议方面,美国汽车工程师学会(SAE)针对轻型汽车、重型汽车与工业用车辆等应用场景分别制定了SAE J2601-1《轻型汽车气态氢加注协议》、SAE J2601-2(TIR)《重型汽车气态氢加注协议》与SAE J2601-3(TIR)《工业用车辆气态氢加注协议》。我国暂未发布氢燃料电池汽车加注协议相关国家标准。SAE J2601 标准主要适用于采用Ⅳ型储氢瓶的氢燃料电池车辆,涉及两种加注方法,基于图表的加注法和质量比热容法。欧盟与日本参考了美国加注协议分别出台了EN 17127 加注协议与JPEC-S003,适用于35 MPa和70 MPa的Ⅲ型和Ⅳ型车用氢气瓶,储氢容量为2~10 kg,对于储氢容量大于10 kg的情况做了简单的折算。此外,其协议中根据Ⅳ型瓶的特点分别按照加氢机与车用储氢系统是否能实现通信功能分别制定了预冷温度为-40~-33 ℃、-33~-26 ℃、-26~-17.5 ℃三个等级的加注方案。当前,欧盟正在开发PRHYDE重载车辆加氢协议项目,预计将于2022年完成开发。
3 我国加氢技术路线
基于上述分析与基本国情,我国在加氢站关键技术和装备方面,与国外仍有较大差距,我国应采取高压气态储氢和液氢储氢加氢技术并举路线,重点提升加氢站关键材料及组件的性能,开发出高性能、长寿命、低成本的氢气压缩机、液氢泵,形成系统性、自主化的完整产品谱系,满足燃料电池汽车用氢场景的需求。“十四五”期间突破制氢加氢一体化建站法规,进一步提高35 MPa加氢站可靠性,重点开发70 MPa加氢站核心装备,加强智能化加氢站工艺控制及加氢站安全体系建设,逐步突破核心技术和零部件。
在加氢技术与装备方面,重点开发70 MPa加氢控制算法、高精度加氢计量技术、灵敏调压技术、快速响应氢气预冷技术以及辅助加氢的高可靠车-站通信技术,开发加氢装备寿命评价与测试技术,研究寿命影响规律,优化提升可靠性。
在压缩技术与装备方面,重点开发大排量、大压比的加氢站用90 MPa压缩机装备,突破关键零部件国产化,开发压缩机寿命评测技术,研究寿命影响规律,优化提升可靠性。隔膜压缩机方面,重点研究高压临氢膜片材料开发、长寿命气阀和压缩机总体优化设计、频繁启停和变工况适用性提升。液压活塞式压缩机方面,重点开发高压临氢材料、多级压缩缸体结构和密封结构设计、液压及控制系统优化设计。离子液体压缩机方面,重点研究离子液体与氢气的相互作用机理与热力特性、气-液界面形态演变规律研究、能量匹配策略及整机设计技术、满足70 MPa加氢站需求的关键部件及整机研发。开展电化学压缩等非机械式压缩技术,降低压缩能耗,提高排气量。
在液氢泵方面,重点开展高压液氢泵研制,研究液氢泵内流动特性机理,液氢泵关键零部件结构设计及强度分析,低温、高压、抗氢脆材料相容性和力学性能研究,液氢泵间隙的密封形式设计,液氢泵试验系统设计等。
在加氢站工艺及控制方面,重点开发适应大负荷、高密度加氢需求的35 MPa/70 MPa加氢站新工艺、关键装备柔性调度控制技术以及故障诊断技术,降低加氢站能耗。为实现上述技术目标,需进行以下课题开发。
3.1 低预冷能耗、高可靠性、满足国际加注协议70 MPa加氢机
加氢技术方面,针对Ⅲ型瓶车辆,需开发快速加氢控制算法,研究高精度加氢计量方法,开发低成本调压技术和高可靠加氢通信技术。针对Ⅳ型瓶车辆,需开发快速响应的低功耗氢气预冷技术,动态调整的智能化快速加氢控制算法,以及高可靠氢气调压控制技术。同时开发加氢机-氢能车辆无线通信系统,增强加氢站可靠性同时降低运营成本。
支撑体系方面,需开发加氢机快速寿命测试方法,建立加氢机可靠性评价体系,开发长寿命加氢机集成与控制技术并实现示范验证。
图8 加氢站技术路线图
3.2 大容量、低能耗、高可靠性35/70 MPa加氢站用压缩机
核心零部件方面,需开发大面积、长寿命金属膜片,与高可靠、耐高温密封材料以及长寿命气阀,打破核心零部件进口依赖。
装备研发方面,为提升压缩机排量,需开发大型缸头设计与制造技术、高效密封技术、高效换热技术以及减震技术;为提升压缩性能,需开发压缩机性能评价技术与高性能压缩机控制技术,研究压缩机在加氢站工况下的性能影响因素;为提升压缩机可靠性,需开发压缩机寿命快速测试技术,研究加氢站工况下金属隔膜压缩机和往复式压缩机的典型故障模式及其零部件和关键材料老化机制,开发柔性压缩机控制算法及故障诊断技术。
3.3 高氢气利用率、低功耗的加氢站工艺控制系统
加氢站控制技术方面,深入研究加氢站工艺参数对加氢性能和设备可靠性的影响规律,开发高性能、高可靠加氢站的实时动态工艺优化控制技术。
加氢站新工艺方面,深入研究不同加氢负荷、日加氢需求下的加氢站供氢、储氢、压缩、加注单元优化控制技术,开发高氢气利用率、低功耗的加氢站工艺。
3.4 低能耗高可靠性液氢泵
开展液氢泵的工作机理研究;构建液氢泵内介质流动仿真模型,将有限元法和传统的设计计算方法结合,建立液氢泵设计方法和理论模型;通过对主要零部件进行力学分析,找到主要零部件应力、应变规律;开发高可靠性液氢泵材料、超低温密封材料、间隙密封技术,研究不同结构、流量、扬程下液氢泵的可靠性影响规律。研制满足不同流量需求的可调节分级气化装置。建立低温实验系统,对液氢泵的流量和压头等进行性能测试。
3.5 加氢站安全技术
主要面向加氢站故障诊断与安全管控进行研发布局,研究关键零部件损伤机制及失效模式、故障检测方法、安全失效机制和安全评价技术。开发多维度故障诊断与排除技术、多层级安全管控技术与安全大数据管理平台。
3.6 加氢站性能测试与评价体系
开展加氢站整站评价体系研究;研究加氢站压缩机、加氢机、液氢泵等关键技术装备性能测试标准,技术装备评价体系,增强标准化治理效能,加快构建推动氢能核心技术迭代创新的标准体系,完善并提升氢能装备技术的检测、认证、应用等领域基础服务能力。
4 结语
70 MPa高压气态加氢站及液氢加氢站已成为全球加氢基础设施技术的发展趋势,是我国燃料电池汽车规模应用的关键抓手。本文调研了日美欧等主要发达国家的加氢技术路线,分析了我国目前核心设备关键技术指标与国产化情况,并与国外技术指标现状进行量化对标,找出了技术差距的原因,并以此制定了我国加氢基础设施技术路线图。主要结论如下:
(1)加氢站技术趋势方面,以美国、欧洲和日韩等发达国家将70 MPa氢气加注技术、液氢加注视为未来加氢站主流发展方向,重点围绕加氢站“设备成本”“可靠性”“运行能耗”三个关键降本性能指标推进整体技术研发,通过高可靠性及高效率的氢气压缩机与液氢泵、高效加氢机、高压阀门、氢气流量计等核心装备、关键材料及组件的研究及国产化应用,来提高加氢站系统整体的可靠性和使用寿命,降低加氢成本等。
(2)加氢站技术差距方面,加氢装备的核心零部件,包括高精度高压氢气质量流量计、传感器、调压阀以及高可靠加氢枪等,均由美国、日本、欧洲等国家和地区垄断,我国进口依赖度高;加注协议标准尚未制定。压缩机可靠性与国外相比差距明显,故障率高,90 MPa高压力氢气压缩机尚无样机,金属膜片材料等依赖进口。液氢泵尚无成熟产品,国内仍处于样机研制阶段,技术基础薄弱。在建液氢加氢站采用的液氢泵均为进口产品。加氢站控制系统尚未经历高负荷加氢工况下的性能和可靠性验证,存在较大优化空间。整站及关键技术装备性能测试方法缺失、标准缺位。
(3)加氢站技术路线方面,我国近10年应着力对70 MPa高压气态加氢站与液氢加氢站技术进行攻关,力争2030年整站加注能力提升至5000 kg/d,70 MPa加氢站整站能耗降低至3.5 kWh/kg,液氢加氢站能耗降至1 kWh/kg。加氢机、压缩机与液氢泵等关键技术装备实现100%国产化。同时提出了6个主要技术开发课题:低预冷能耗、高可靠性、满足国际加注协议70 MPa加氢机;大容量、低能耗、高可靠性35/70 MPa加氢站用压缩机;高氢气利用率、低功耗的加氢站工艺控制系统;低能耗高可靠性液氢泵;加氢站安全技术;加氢站性能测试与评价体系。
(4)加氢站技术的规模化需要国家引领、技术攻关、企业合作、产业协同等各方面协同推动。
通讯作者:熊亚林(1990—),女,博士,研究方向为氢能与燃料电池,E-mail:yalin.xiong@chnenergy.com.cn。
第一作者:熊亚林(1990—),女,博士,研究方向为氢能与燃料电池,E-mail:yalin.xiong@chnenergy.com.cn。
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北极星氢能网获悉,6月23日,京城股份发布公告,公司全资附属公司北京天海氢能装备有限公司拟通过公开挂牌引入投资者的方式增资扩股。本次增资扩股以天海氢能100%股权的评估价值人民币80,600万元为基础,增资金额不超过人民币30,000万元。此前在5月初,京城股份就曾发布公告,天海氢能拟通过增资扩股的
北极星风力发电网获悉,近日,龙源电力吉林公司长春新能源氢基化工综合利用一体化项目配套75万千瓦新能源建设指标取得长春市人民政府批复,项目建成后将为吉林省绿色能源转型和氢能产业发展注入强劲动力。该公司紧贴国家新型能源发展战略,按照吉林省“氢动吉林”行动规划以及新能源产业“绿电+消纳”
IEEEPES能源发展与发电技术研讨会是IEEEPES能源发展与发电技术委员会(中国)(IEEEPESCSTC-EDPG)主办的在业界具有较大影响力的行业品牌盛会,2021年创办以来,得到了行业内科研究机构、高校、企业的大力支持,受到政府机构、业界的广泛关注与好评。为推动实现我国碳达峰碳中和目标和构建安全可靠的新
6月24日,蒙古国副总理陶·道尔吉汗达与明阳集团创始人、董事长张传卫在北京举行会谈,双方就加强新能源开发建设、绿色转型及项目合作等议题进行了深入交流。张传卫对陶·道尔吉汗达副总理专程到访明阳集团表示欢迎。会谈中,张传卫详细介绍了明阳集团在新能源领域的技术优势与全球布局。张传卫表示,
北极星储能网获悉,6月25日,海天股份披露关于签署校企合作协议的公告,宣布海天水务集团股份公司与四川大学双方本着“平等互利、优势互补、资源共享、共同发展”的原则,以“企业出题,联合答题”“揭榜挂帅”模式,围绕甲方水处理、固废资源化、氢能、储能、光伏等新能源产业及双碳发展需求和乙方世
6月23日,嘉兴市发展和改革委员会发布嘉兴市能源绿色低碳发展和保供稳价工程2025年实施计划。根据2025年嘉兴市能源工程重点指标任务分解表,9个县(市、区)新增光伏装机目标80万千瓦,新增储能目标16.6万千瓦。文件提出,推动工商业电价进一步下降。坚持以市场竞争促进各类电源降价,推动非统调煤电和
6月19日,龙源电力吉林公司长春新能源氢基化工综合利用一体化项目配套75万千瓦新能源建设指标取得长春市人民政府批复,项目建成后将为吉林省绿色能源转型和氢能产业发展注入强劲动力。该公司紧贴国家新型能源发展战略,按照吉林省“氢动吉林”行动规划以及新能源产业“绿电+消纳”试点创建实施方案要求
北极星氢能网获悉,6月20日,吉电股份发布公告称,其控股子公司上海吉远绿色能源有限公司的全资子公司吉远(四平)绿色能源有限公司,拟投资49.2亿元建设梨树绿色甲醇创新示范项目。根据公告,该项目位于吉林省四平市梨树县。新能源部分规划布局风电装机规模40万千瓦,新建一座220千伏升压站,配套建设
能源与产业协同转型推进中国式现代化全球能源互联网发展合作组织副秘书长周原冰在全面推进中国式现代化的新征程上,能源与产业转型升级已成为落实“双碳”目标、实现高质量发展、打造国际竞争新优势的关键抓手。今年是“十四五”规划收官之年,也是“十五五”规划谋篇布局之年,值此承前启后的关键节点
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