加氢站氢气运输方案的比较与选择

加氢站氢气运输方案的比较与选择加氢站氢气运输方案的比较与选择 时间 2010 08 28 12 28来源 同济大学 作者 马建新等 点击 315 次 首先结合文献定性介绍了现有氢气运输方式 然后对氢气通过长管拖车 槽车及 管道运输的运输成本 能源消耗及安全性进行深入研究 运输成本通过建立加 氢站氢气运输成本模型进行分析 为促进燃料电池汽车的发展 上海必须建立与之发展相适应的氢基础设施 加氢站 加氢 站按制氢地点可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站 而对于外供氢加氢站 氢气的运输是重 要的一环 氢气的运输方式是多样的 且每种运输方式的应用场合 成熟程度 使用成本等 都不相同 因此需要进行比较 根据实际情况研究合理的运输方式 以有效促进上海氢基础设施 的发展 1 氢气运输方式氢气运输方式 按照输送时氢气所处状态的不同 氢气的运输方式可分为 气态氢气 GH2 输送 液态氢 气 LH2 输送和固态氢气 SH2 输送 前两者将氢气加压或液化后再利用交通工具运输 是目 前加氢站正在使用的方式 固态氢气输送通过金属氢化物进行输送 迄今尚未有固态氢气输送 方式 但随着固氢技术的突破 这种方便的输配方式预期可得到使用 1 1 高压氢气运输 氢气通常经加压至一定压力后 然后利用集装格 长管拖车和管道等工具输送 集装格由 多个水容积为 40L 的高压氢气钢瓶组成 充装压力通常为 15MPa 集装格运输灵活 对于需求 量较小的用户 这是非常理想的运输方式 长管拖车由车头和拖车组成 长管拖车到达加氢站后 车头和管束拖车可分离 所以管束 也可用作辅助储氢容器 目前常用的管束一般由 9 个直径约为 0 5 m 长约 10m 的钢瓶组成 其设计工作压力为 20 MPa 约可充装氢气 3500 标准 m3 管束内氢气利用率与压缩机的吸 入压力有关 大约为 75 85 长管拖车运输技术成熟 规范完善 因此国外较多加氢站都采 用长管拖车运输氢气 上海较大规模商品氢运输即采用长管拖车运输 氢气也可通过管道输送至加氢站 美国 加拿大及欧洲多个工业地区都有氢气管道 直径 大约为 0 25 0 3m 压力范围为 1 3MPa 流量在 310 8900 kg h 1之间 目前氢气管 道总长度已经超过 16000km 管道的投资成本很高 与管道的直径和长度有关 比天然气管道 的成本高 50 80 其中大部分成本都用于寻找合适的路线 目前氢气管道主要用于输送 化工厂的氢气 1 2 液氢运输 液氢的体积密度是 70 8 kg m 3 体积能量密度达到 8 5 MJ L 1 是气氢 15MPa 运 输压力下的 6 5 倍 因此将氢气深冷至 21K 液化后 再利用槽罐车或者管道运输可大大提高 运输效率 槽罐车的容量大约为 65m3 每次可净运输约 4000 kg 氢气 国外加氢站采用槽车液氢运输的方式要略多于气态氢气的运输方式 液氢管道都采用真 空夹套绝热 由内外两个等截面同心套管组成 两个套管之间抽成高度的真空 除了槽罐车和 管道 液氢还可以利用铁路和轮船进行长距离或跨洲际输送 深冷铁路槽车长距离运输液氢是 一种既能满足较大输氢量又是比较快速 经济的运氢方法 这种铁路槽车常用水平放置的圆 筒形杜瓦槽罐 其储存液氢的容量可达到 100m3 特殊大容量的铁路槽车甚至可以运输 120 200 m3的液氢 目前仅有非常少量的氢气采用铁路运输 表 1 定性地比较了上述几种方式的适用场合 运输量 技术成熟程度 应用情况及其 优缺点 尽管氢气运输方式众多 但从发展趋势来看 在今后相当长一段时期内加氢站氢气主要通 过长管拖车 槽车和气氢管道进行运输 因此 本文对这三种运输方式进行了更为深入的研究 2 氢气运输成本分析氢气运输成本分析 氢气的运输成本是选择氢气运输方式的重要指标 为了计算氢气的运输成本 本研究小组 基于 Excel 开发了氢气运输成本模型 能计算长管拖车运输 液氢槽车运输和管道输送的成 本 本模型的计算是从实际加氢站数量和加氢站大小出发 来计算所需长管拖车或液氢槽车的 数量 从而确定固定设备投资 然后根据人工 能耗及其运行维护成本的输入 输出氢气的运 输成本 长管拖车和槽车运输成本模块建立的数学原理相差不大 都是利用每天需要运输次数和 长管拖车或槽车每天可运输次数计算长管拖车和槽车的数量 然后再确定其他投资成本 而管 道运输模块建立的关键是根据加氢站的流量计算管道的直径 它可以采用 Panhandle B 公式 进行计算 式中 FR 为管道流量 L p 为管道长度 Tp 为管道温度 Pi 为管道入口压力 Po 为管道 出口压力 为氢气相对密度 Psc 和 Tsc 为标况下的压力和温度 E 为管道运输效率 Z 为 氢气压缩因子 2 1 长管拖车运输模块建模的数学原理 根据加氢站的数量及需求大小确定所需的长管拖车数量是建立本模块的关键 在确定加氢站的数量及大小后 可得到氢气的年运输量为 Fa 365 S ns CF 2 式中 Fa 为氢气年运输量 S 为加氢站大小 kg d 1 ns为加氢站数量 CF为容量系数 长管拖车每个钢瓶可输送氢气量为式中 mcd为单个钢瓶输氢量 kg Pmax为钢瓶最大运 行压力 0 1 MPa Pmin为钢瓶最小压力 0 1MPa Vc为钢瓶水容积 m3 Top 为管束运行 温度 则长管拖车运输一趟可输送氢气量为 mtd mcd nc 4 式中 mtd为长管拖车一次输氢量 kg nc为钢瓶数量 根据年运输量及长管拖车每次运输量 可得到每年长管拖车需要运输的次数为 Ndy Fa mtd 5 式中 Ndy为长管拖车一次输氢量 kg 则长管拖车的年耗油量为 Df 2Ndy d fe 100 6 式中 Df为长管拖车年耗油量 L d 为加氢站与氢源点距离 km fe为卡车燃料经济性 L 100 km 1 长管拖车每天需要运输的次数为 Ndd Ndy 365 at 7 式中 Ndd为长管拖车每天运输次数 at为卡车年可使用率 拖车运输一次所需要的来回时间为 Td 2d t 1 t1 tu 8 式中 Td为一次来回时间 h tl为氢源点装载管束时间 h tu为氢源点卸载管束时间 h v 为平均速度 km h 1 由此可以计算出所需拖车的数量 Nc Ndd Td tot 1 1 注 为高斯符号 9 式中 Nc为拖车数量 tot为卡车运营时间 h 每管束氢气可用天数 Nud mtd S CF 1 10 则所需的管束数量根据总填充和运输时间应小于每个站氢气平均耗尽时间来计算 可分 两种情况 当每管束氢气可用时间大于一管束运输一趟的时间 也即 Nud 24 ns 1 Td ttf 11 式中 ttf为长管拖车灌充氢气的总时间 h 那么所需要的管束数量等于拖车数量即可 即 Nt Nc 12 式中 Nt为管束数量 否则需要增加额外的管束使平均填充和运输时间缩短 总的管束数量为 Nt Nc ttf Nud 24 ns 1 Td Nc 1 13 据此可计算出管束和拖车头的数量 从而确定设备投资及其他相关投资 如人工需求 拖 车能耗等 2 2 运输成本计算及分析 分别对加氢站数量为 1 个 4 个 8 个和 16 个共 4 种情况计算氢气运输成本 假设加 氢站距离氢源点的距离均为 50 km 长管拖车运输压力为 20MPa 液氢槽车的容量为 65m3 钢瓶总水容积为 20m3 长管拖车灌充氢气时间为 7 5h 站内卸载时间为 7 5h 卡车平均时速 为 50 km h 1 卡车 槽车 管束和管道的寿命分别为 10 年 10 年 20 年和 40 年 计算时采用的内部收益率 IRR 为 10 那么分析周期内每年应收回投资与周期初期投 资的比值 也即资本回复系数可按下式计算 CRF IRR 1 1 IRR N 14 式中 CRF 为资本回复系数 IRR 为内部收益率 N 为分析年限 一组大约 3400 标准 m3容积的集装管束价格大约为 120 万元 车头的价格大约为 40 万元 一辆 15000 加仑容量 约 68m3 的液氢槽车价格大约为 50 万美元 柴油的价格为 42 元 L 1 员工费用为 6 万 元 年 1 人 1 图 1 为氢气通过长管拖车运输的成本 可以看到 当加氢站数量少时 运输成本可高达 4 7 元 kg 1 随着加氢站数量的增加和加氢站规模的增大 成本逐渐降低 但是在加氢站数量 较少时 成本在下降过程中出现波动 这与长管拖车利用效率有关 例如当加氢站规模 750kg d 1时 长管拖车处于高负荷工作状态 但当规模增加到 900 kg d 1时 由于需要增加 管束 降低长管拖车总体负荷强度 利用率降低 所以运输成本上升 当加氢站网络的数量达到 8 个后 运输成本逐渐稳定在 2 3 元 kg 1 图 2 是液氢的运输成本 可看到 随着加氢站数量 和规模的增加 液氢的运输成本快速降低 液氢槽车运输氢气的最低成本为 0 4 元 kg 1 将 近为长管拖车的 1 6 图 3 是氢气通过管道运输的运输成本 管道的运输距离也为 50km 可看到 氢气的运输成 本随每个加氢站规模的增加而迅速减少 但是三条曲线基本重叠 说明加氢站数量的增加并不 减少氢气运输成本 其原因是增加加氢站需要另外铺设氢气管道 其昂贵的投资使氢气运输成 本基本维持不变 当加氢站规模达到 1500 kg d 1时 氢气的运输成本大约为 6 元 kg 1 单从运输方面的成本来看 三种运输方式中以液氢运输成本最低 管道运输最高 注意此 液氢运输成本没有包含氢气液化及蒸发成本 氢气液化设备的投资非常巨大 一个日处理量为 120t 氢气的液化厂投资约为 9 千万美元 Syed 等计算了规模为 3 104 kg h 1的氢气液化 成本 达到 4 5 元 kg 1 若考虑到此 长管拖车运输氢气的成本在目前还是比较低的 由于长管拖车运输和槽车运输技术都非常成熟 通过技术进步降低设备成本不大可能 但 是今后生产规模扩大后能降低部分成本 3 能耗分析能耗分析 氢气首先经过压缩或液化后再进行运输 这些过程都需要消耗能量 Bossel 等深入地比较 了压缩和液化的能耗以及氢气道路运输的能耗 可为氢气运输方式的选择提供参考 氢气的高 热值为 142 MJ kg 1 如果将氢气压缩到 20MPa 大约消耗能量 14MJ kg 1 相当于氢气 内能的 10 左右 液化能耗很高 具有明显的规模效益 当液化量很少时 液化能耗甚至高于 氢气的热值 当液化量达到 1000 kg h 1时 液化能耗仍超过 40 MJ kg 1 是低热值的 30 以上 对于一般规模的液化厂 氢气液化能耗大约为压缩能耗的 3 倍 氢气压缩的部分能量 在加氢站内还可以加以回收利用 比如利用长管拖车与储氢罐的压差为储氢罐自然充气 但是 氢气液化的能量在固定储氢容器和液氢运输管网上无法利用 被白白浪费 在运输距离为 500km 运输压力为 20MPa 的氢气消耗 30 的车载能量 而运输液氢仅消 耗 4 左右的车载能量 因此 长距离宜采用液氢运输 4 氢气运输安全性氢气运输安全性 对于长管拖车 主要的危险特征是高压爆炸 美国的长管拖车根据 DOT 3AA 3AAX 压 缩气体运输标准设计 安全系数达到 2 48 很多厂家生产的长管拖车还符合美国 E 8009 特 殊标准 采取限定气瓶操作压力和限制钢种和控制杂质含量等措施 提高气瓶运输安全性 从运 输压力上来说 长管拖车运输压力一般不超过 20MPa 且都装有卸压阀 充分保证运输的安全 性 从法规上说 上海危险气体运输法规规定在气温大于 30 时 仅能在夜间运输 这都降低了 长管拖车运输的危险性 因此 尽管长管拖车存在危险特征 但可通过合理方式降低风险 对于液氢运输由于容器不能完全绝热和氢气自身的正氢 仲氢转化放热 液氢会不断蒸发 使容器内压力越来越高 形成危险特征 但是槽车系统上安装卸压阀 保证容器内压力不超过 极限值 同时由于氢气良好的逃逸性 卸出的氢气在户外也不会构成任何危险 对于管道运输一个很重要的安全问题是氢脆 如锰钢 镍钢以及其它高强度钢 若长期暴 露在氢气中 尤其在高温高压下 其强度会大大降低 导致失效 但是铝和一些合成材料 就不会 发生氢脆 因此通过选择合适的材料 可降低因氢脆产生的安全风险 5 上海加氢站氢气运输方案的选择上海加氢站氢气运输方案的选择 到 2010 年加氢站的规模都较小 采用槽车液氢运输的成本为 1 8 元 kg 1 远低于采 用长管拖车运输的成本约为 2 5 元 kg 1 但考虑到氢气液化厂投资大 氢气液化消耗氢气 热值 30 以上 经济性较差 更重要的是上海还没有液氢工业基础 因此液氢运输不适合近期 加氢站的发展 同样 由于氢气流量低 铺设管道投资大 因此综合比较来看 2010 年前加氢站 采用长管拖车运输氢气更符合实际 当燃料电池汽车的数量逐渐增长到万辆级 十万辆级 每天的氢气消耗也逐渐增长到 30 t 和 300 t 加氢站的数量达到上百座 部分站的规模也较大 若全部采用长管拖车运输 由于长 管拖车过多造成调配困难 此时可考虑建立氢气液化示范厂 且液化厂已经具有规模经济性 采 用液氢输送优势明显 另外还可考虑铺设管道为氢源点附近的加氢站网络输送氢气 对规模较 小的加氢站仍可采用长管拖车