加氢站技术路线(2017-08-30).doc

加氢站技术路线2017-08-30 操作系统/新能源/技术欧美日燃料电池汽车进入商业化示范阶段，加氢站建设提速截止2016年1月全球正在运营的加氢站超过214座（数据来自全球加氢站统计报告）。95座位于欧洲（德国为主），50座位于北美，1座在南美，1座位于澳大利亚，其他67座在亚洲（日本为主），其中121座对公众开放。中国目前拥有4座加氢站，都处于示范状态，尚未进行商业化运营。2015年全球加氢站建设开始提速，增加了54座加氢站，其中，日本新增28座，在所有国家中居于首；欧洲新增19座，其中4座位于德国；北美新增7座。加氢站主流技术路线城市加氢站的技术路线可分为三类：电解水制氢、天然气重整制氢和外供氢技术。电解水制氢：已十分成熟电解水制氢的技术目前已经十分成熟，欧洲大多数加氢站都采用这种技术。电解水制氢装置利用电力将水分解成氢气和氧气后，利用压缩机将氢气以高压形式储存在储罐中，通过加注机完成向燃料电池大客车的氢气加注。由于回收成本的问题，制氢过程中所生成的氧气一般都直接排放到大气中。电解水制氢技术已经发展得相当成熟，各个站均采用了高度集成的整体壳装式设备，十分便于安装，大大提高了自动化程度，同时减少了设备所占用空间。同样是为了满足3辆Citaro燃料电池大客车的用氢需要，所以各个加氢站电解水制氢装置的设计能力相当。天然气重整制氢：广泛应用于化工行业中，制氢成本低、初始投资大天然气重整制氢具有制氢成本低的优点，并能充分依托现有的天然气基础设施经验来发展氢能基础设施，但其设备初始投资较大、制备的氢气需要经过纯化工艺方能满足燃料电池的要求。大规模的天然气重整制氢（ 1000 Nm3/h）已广泛应用于化工行业，加氢站站用规模（50 -200Nm3/h）的天然气重整制氢技术目前正在开发之中。与水电解制氢装置类似，整套装置集成在一个框架之内，便于运输和现场安装。制氢能力为100Nm3/h。重整制氢过程所使用的天然气来自天然气公司，天然气公司将未加硫的天然气用于重整制氢，由于天然气中不含硫，通过反应器设计和燃烧控制，能够有效地降低氮氧化物的生成，因此，重整器的燃烧烟气中几乎没有SOx、NOx等污染物，烟气直接排放到大气中。外部供氢技术：初始成本低，氢气来源是关键使用外供氢气对燃料电池大客车进行加注，其氢气来自于钢铁企业的副产氢气，使用高压氢气瓶集束拖车运输。加氢站租借运输氢气的高压氢气瓶集束拖车，每辆拖车装有18个高压氢气瓶，每次可以以20MPa的压力运送4000Nm3的氢气。平时站区里停泊2辆拖车，另有1辆拖车往返加氢站和氢源之间，运送氢气，替换站内的空车。拖车上装有压力传感器，可以远程监测拖车里的氢气量。由于运送来的氢气已经有20MPa的压力，其压力完全可以满足给车辆添加燃料时中、低压加注的需要，运送来的一部分氢气可以在加注机内压力逻辑控制盘的调节下直接向车辆加注，不需要通过高压氢气压缩机。当燃料电池客车车载气瓶的压力与拖车上气瓶的压力趋于平衡后，再启用站上压力为43.8MPa的高压氢气储罐中的氢气继续加注。这种加注方式可以大大降低氢气压缩机的功耗，同时减少站上所需高压氢气储罐的容积。更多新技术的探索加油站改建技术可实现低成本加氢功能引入。改造加油站主要通过在原有加油站引入高压储氢罐和压缩机等设备的方式完成加油站的升级，根据加州燃料电池联盟数据显示，由于节约了施工成本和通用性设备的采购成本，该方法将使加氢站建设成本降低200万美元以上，并且形成油气联供的综合性汽油氢气补给站，但同时油气系统的协调合作也对控制系统提出了更高的要求。移动加氢站建设技术以较低的成本实现更大区域覆盖。移动式氢气站的建设成本仅为普通直接建设固定站点的50%，对于扩大加氢站的覆盖面积和增加燃料电池汽车使用者的便利性具有十分重要的意义。2015年12月，丰田公司与Air Products公司合作，在加州新建设的加氢站建成前，为消费者提供氢气燃料。Air Products公司的移动加氢车使用蓄电池以及太阳能发电制氢，每车可以满足30多辆车的加氢需求，每次可以为丰田Mirai加注半罐氢气。此外，移动加氢站还可以与母站共同构成小型高压氢气加注网络，显著加大了固定式加氢站的辐射半径和机动性，是解决现有加氢站数量不足和节约建设成本的有效途径。加氢站三大核心设备技术成熟加氢站系统依据不同的功能，可分为制氢系统（自制氢)或输送系统（外供氢）、调压干燥系统、氢气压缩系统、储气系统、售气加注系统和控制系统六个主要子系统。氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备。加氢站通过外部供氢和站内制氢获得氢气后，经过调压干燥系统处理后转化为压力稳定的干燥气体，随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存，最后通过氢气加注机为燃料电池汽车进行加注。投资成本高，政府主导加氢站投资及运营加氢站投资及运营成本远高于传统加油站加氢站建设的初始投资因所采取技术路线的不同而有所差异。如：卢森堡站将外供氢作为氢源，其站上设备仅花费了约55万欧元（不含运输车辆）；斯图加特站采用站上天然气重整制氢，共计投入了188万欧元的经费用于加氢站建设；其它采用站内电解水制氢的加氢站，使用的经费通常在100 -150万欧元之间。1）从初始投资来看，采取租借氢气运输车辆的外供氢方式投资最小，如果购买氢气运输车辆，考虑车辆运行的人员费用，投资会有所提高；天然气重整制氢初投资最高，但是随着技术的进步成本有下降的空间。2）从运行成本来看，天然气重整制氢有绝对的优势。在不考虑设备维护和折旧的条件下，加氢站的运行费用就是水、电、气等原材料的消耗，并直接体现在氢气的价格上。外供氢的成本取决于氢气的制成成本和运输成本，若加氢站距离氢源较远，运输成本将大幅上升，导致外供氢的经济性大大下降。采用电解水制氢，综合考虑各个生产环节的电耗，生产1 Nm3的氢气一般需要5 kWh的电力，氢气的价格主要取决于当地的电价。日本建设一座加氢站的投资成本约4.5亿日元（约合3000万元人民币），是日本加油站建设成本的5倍。另外，加氢站每年还要承担40005000万日元（约合300万元人民币）运营成本。高额的建设投入和运营成本使加氢站在没有政策扶持的情况下很难实现盈利。设备采购成本占建设投资的70%加氢站建设成本主要由核心设备采购费用、设备安装费用、土木工程费用组成，由于设备安装、土木工程费用相对固定，降低设备成本将是加氢站推广的工作重点。政府和车企是加氢站建设的主体，政府补贴占比50%由于高额的建设和运营成本，目前从国外的经验来看，加氢站建设与运营主体由政府机构、能源公司、大型车企共同构成。欧洲各国加氢站建设主体及资金来源基本都是由包括化学气体公司（Norsk Hydro、Air Liquide、Mahler IGS等）、能源公司（Shell、BP等）和当地的公交公司等在内的数家企业联合承建，一般说来，各合作方在项目中的主要分工如下：化学气体公司：负责站内制氢设备的设计、安装和调试，或外供氢气的制备、运输和储存，以交钥匙工程的方式向承担加氢站建设的能源公司提供稳定、可靠的氢源，并保证氢气的品质能够满足车载燃料电池的要求；能源公司：对加氢站的各个子系统进行系统集成，负责加氢站的安全保护，以交钥匙工程的方式向业主提供建成的加氢站，并保证加氢站的正常运转；公交公司：作为加氢站和燃料电池大客车的业主，负责站和车的日常运营以及面向公众的宣传教育工作，并将积累的数据和发现的问题及时反馈给有关各方。欧洲政府补贴达到建设成本的50%。欧洲加氢站的建设投资主要来自欧盟CUTE项目经费和企业自筹经费，各国政府也提供一定的经济支持用于加氢站和燃料电池大客车的示范运行。日本加氢站建设主体及资金来源日本政府给予加氢站建设高额补助。2014年日本官方新能源及产业技术综合开发机构发布了氢能源白皮书，为缓解建设加氢站所需的巨额建设成本，日本政府专门制定了“氢气供给设备整备事业费辅助金”制度，自2013年起对加氢站建设项目补贴其导入成本的一半，上限为2.5亿日元，2014年又增加了定额性补贴政策，上限达到2.8亿日元。日本政府在过去三年中对加氢站的建设与运营累计拨款17.8亿美元，全球居首。车企参与加氢站建设。丰田、本田、日产三大车企也响应政府号召，联手投资4892万美元(约合3亿元人民币)用于扶持加氢站项目，该计划中每个加氢站的建设成本约500万美元（约合3000万元人民币），其中50%的建设费用将由政府予以补贴，30%由三家车企承担，其余20%的建设费用由日本其他企业赞助。美国加氢站建设主体及资金来源加州众议院通过了第八号法案，加州政府将一共拨款2亿美元于2024年之前建设不少于100个的公共加氢站。美国加利福尼亚州宣布将于2030年实现上路新车全部为零排放汽车，意味着未来加州人民可选择的车辆类型只有氢燃料车、电动车或者混动车几种。因此，加州需要建设更多的充电桩和加氢站以满足需求。Black & Veatch以及FirstElement Fuel两家公司正合作建设美国首个加氢站网络，加氢站数目达19座。项目由加州能源委员会提供资金支持，丰田、本田公司提供贷款支持。中国加氢站核心装备亟待国产化中国现有加氢站建设运营模式中国加氢站有4 座，预计20162017年国内将新建45座加氢站，2020年增加到20座。四座加氢站分别位于北京、上海、郑州、深圳四地，主要为燃料电池实验车辆、城市燃料电池公共示范汽车提供加注服务，尚未实现商业化运营。运营时间相对长的是北京和上海安亭加氢站。我国加氢站的典型代表北京加氢站和上海安亭加氢站均从国外引进了核心设备和技术咨询服务：北京加氢站（站内制氢、外部供氢）：2006年11月8日，标志着中国第一座以新能源交通为主题的示范园北京新能源交通示范园一期暨中国首座固定车用加氢示范站正式投入使用。承担全球环境基金、联合国开发计划署和中国政府共同支持的“中国燃料电池公共汽车商业化示范”项目中3辆戴克燃料电池公交车的氢气加注任务，同时还承担国家863“燃料电池客车”项目自主开发的燃料电池城市客车的氢气加注任务。北京加氢站与英国BP公司和美国AP公司进行了技术合作，加氢站三大核心设备均由美国公司供应。上海安亭加氢站（外部供氢）：由同济大学、上海舜华新能源系统有限公司及上海航天能源有限公司共同研发并建设。现由同济大学、上海舜华新能源系统有限公司负责安亭加氢站的发展和运营，壳牌提供技术咨询和部分资金。安亭加氢站是由中国科技部主持的国家“863计划”的一部分。目前储氢量最大可达800公斤，一次能连续为6辆大巴、20辆小汽车加注氢气。深圳大运临时加氢站（移动加氢站）：2011深圳大运会燃料电池汽车示范运行的加氢基础设施，由深圳五洲龙汽车有限公司在上海舜华新能源系统有限公司的技术支持下建设和运营。设备包含一辆移动加氢车、一座固定加氢站，作为移动加氢车的母站，该站主要为移动加氢车充装43MPa的氢气，然后由后者运行到大运村为燃料电池场地车提供氢气加注服务，此外该站也可为燃料电池公交车或小车加注35MPa的氢气。大运会期间，深圳五洲龙汽车有限公司和上海燃料电池动力系统有限公司提供的60辆燃料电池场地车和2辆燃料电池大巴在大运村提供服务。郑州宇通加氢站（外部供氢）：由宇通公司投资建设，北京派瑞华氢能源公司中标并负责郑州宇通客车公司加氢站项目，2015年3月份完成调试、试运行并通过验收。加氢站占地约3000平方米，采用外供氢模式及先进加注工艺流程，可快速、安全地为示范运行的燃料电池客车提供35MPa的高压氢气加注服务。通过加氢站内45MPa的高压储氢管束，实现一辆客车加满氢气的时间小于15分钟，加氢站可以满足10辆燃料电池客车的加氢需求，日加氢能力达到210公斤，满足示范运行的需求。宇通加氢站目前主要为宇通自己研发示范的燃料电池客车提供加注服务之外，计划为今后我国开展的联合国UNDP/GEF第三期燃料电池公共汽车商业化示范项目提供氢气加注服务。中国加氢站核心设备依赖进口，亟需实现国产化欧美日加氢站普遍采用与汽车配套的70MPa压力标准，并实现设备量产。日本从制度上鼓励车载氢瓶单次充气压力的安全上限值从70MPa提高到88MPa，进一步实现技术升级。从具体设备来看，氢气压缩机：美国PDC等公司已掌握具有三层金属隔膜结构的氢气压缩机制造技术，输出压力上限超过85MPa；高压储氢罐：美国、加拿大、日本等国均可自主生产耐压超过70 MPa的碳纤维复合材料和铝合金内胆等材料制成的高压储氢容器；氢气加注机：德国林德、美国空气化工等企业生产70MPa氢气加注机安全性与智能化较高，并实现量产。我国示范性加氢站及燃料电池客车车载供氢系统尚处于35MPa压力的技术水平，核心设备主要依赖进口。为与客车配套，现有加氢站采用了45 MPa隔膜式压缩机、45 MPa储氢罐和35 MPa氢气加注机等设备，压力标准提升还有待未来70MPa燃料电池汽车的普及。加氢站核心设备研制处于起步阶段。氢气压缩机方面，我国现有压缩机制造商仅能生产用于石油、化工领域的工业氢气压缩机，输出压力均在30MPa以下，无法满足加氢站技术要求，中船重工718所通过与美国PDC公司技术合作可组装配套加氢站的高压氢气压缩机，但核心部件均需美方提供，距离国产化还有较远距离；高压储氢罐方面，我国浙江大学攻克了轻质铝内胆纤维全缠绕高压储氢气容器制造技术，解决了超薄铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等技术难题，但尚未实现成品量产；氢气加注机方面，天然气设备制造商厚普股份已成功研发氢气加注装置，并已进入产品测试阶段，氢气加注设备是目前最有可能实现国产化的核心设备。政府补贴加氢站建设，强化加氢站核心技术研发扶持力度出台补贴政策扶持加氢站建设。2014年11月财政部、科技部、工业和信息化部、发展改革委公布了关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知，指出对符合国