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不同情境下,加氢站技术优化策略

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工氢燃料电池 发布时间:2020-01-20 浏览:
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在1月12日举行的百人会论坛上,北京低碳清洁能源研究所新能源中心助理主任何广利基于对加氢站技术的深入分析,围绕如何打造定量化、高质量的加氢站及降低成本发表演讲。

在何广利看来,需要研究比各个因素之间的耦合关系和对最后结果的影响关系,这样才能做到一个真正的定量化、高质量的加氢站。而目前行业内对加注量比较关注,对技术本身关注的偏少,需要加强对技术的研究。

车应用及站加注能力不同,加氢站整体技术和设备要求不同

加氢站是一个比较“尴尬”的事情,它是一个被动的技术,有两个“边界”:第一,氢气以什么样的形态来的;第二,氢气以什么样的形态加出去,这两个边界条件定好了之后,才好确定加氢站采用什么技术路线和设备。

比如需要车载液氢,需要车载低温高压氢,就需要加氢站采用完全不同的技术路线和设备。另外,从站外面来的氢气如果是气态,如果是液态,相应的后端技术路线也有差别。

如果结合未来趋势,加氢站可能的技术路线至少有这么几条:第一,高压来,加到车上是高压;第二,液氢加到车上是高压;第三,液氢来,加到车上是液氢;第四,液氢来加到车上是低温高压。这几条技术路线不同,决定了里面很多设备都有不同。

国外加氢站比较多了,国内2019年报出来的数字说有50多座,发展相对来说也比较快,但相对国外的数字还偏少。有一点必须注意,国外加氢站更多的是针对乘用车的加氢站,它的加注规模在200公斤以内。我国推动的是商用车的应用,需求量差别很大。我国现在基本建的站都在800公斤、1000公斤,未来也许会有更大加注规模的。从车的应用区别,到站的加注能力的区别,相应的,加氢站的整体技术和设备的要求也是有所不同的。

加氢站成本分析:全盘考虑,优化策略,降低成本

现阶段常说的一个问题,氢气成本高,或者加注到车上的氢气成本高,可能这里面几个组成部分。氢气按一定价格从外面买来以后到加氢站里面,最终摊到每公斤的氢气里面,初期的投资成本、运营成本,再除以氢气的加注总量,决定了最后把氢气买进来加多少价卖出去。

初期的投资成本,不算土地的话,主要是设备成本。通常在讲燃料电池或者燃料电池汽车的时候,会讲规模化的效应,比如现在年产五千辆,以后说年产50万辆的时候,成本降到什么程度。对加氢站里的设备,肯定也是存在规模化的效应。

另外,加氢站用的设备总量是很小的。比如压缩机,现在国内有50多个站,用五十台或者七八十台压缩机,到2030年或者2035年,有两千座加氢站,它的设备用量也只是几千台。从这个角度来说,如果加氢站的初期设备投入要靠规模化效应来降低成本的话,是有很大限度的。而车动不动规模化应用就是几十万辆,这个数字和几千个的规模化效应的影响因素肯定是不一样的。

根据现在加氢站的运行情况,大致分析了影响的显著性,设备成本、运营成本、加注能力,都对站里面的氢气整个加注的成本有影响。比如压缩机的成本降低50%,和加注能力提高15%,会发现影响是不一样的。对单个设备来讲,本身的价格虽然降低了很多,这个数字很重要,但是摊到每公斤氢气上,它并不是显著的。

设备成本初期投入时最关键的是什么呢?是运营的成本。第一是维护成本,设备用的好与不好,决定了运营成本的高低。加氢站是一个系统工程,这就跟做燃料电池一样。有好的催化剂,不代表能作出一个好的电堆;有一个好的电堆,不代表有一个好的燃料电池发动机。对加氢站也是一样的,设备买过来之后一定要把它用好,对整体才有一个好的贡献。在加氢站设计的时候,一定要优化它里面的一些策略。

加氢站是被动的技术,被动体现在车什么时候来,需要给它加。这种情况和车行驶的工况很类似的,车行驶的时候,燃料电池整体的功率输出很难预测的。也许前方来个车,就要踩刹车,或者想踩油门加速,这都是随机的,加氢站里面也有一些类似。

什么时候来车,需要启动给它加氢,这时候就造成传统化工上很多用的阀门,在设定压力下工作,但是在加氢站里面一直处于一个压力循环和温度循环,现在尤其是国外对乘用车的加注,是要遇冷的。隔一段时间不加注,它的温度到环境温度了,遇冷到零下四十度,里面关键的阀门部件都是有影响的。只有把这些东西考虑的非常好了之后,成本才会降下去。

能耗方面,第一压缩机本身产的热,要把热散出去。目前国内用的是活塞式、泵式的,这两种产热也不一样,对冷却能耗的要求也不一样。国际上在压缩方面做的一些比较前沿的方向,比如美国支持的电化学压缩,或者是热压缩,就是提高它的能效。另外一部分,能耗就是氢气的遇冷,要针对70兆帕,遇冷到零下40度,最高冷却到零下20度,零下20度以上,按照国际上的要求是没法加注的。

车辆加注完之后最终需要达到的状态,要求对加氢站很多设备的运行模式和运行的启动状态也是不一样的。比如拿Ⅲ型瓶和IV型瓶来说,Ⅲ型瓶的好处是传热好,安全性、渗透性比较好,虽然它的疲劳次数比较低,但它的疲劳寿命不依赖于压力的上下限。IV型瓶的储氢密度高,虽然它的疲劳次数疲劳寿命高于Ⅲ型瓶,但与压力上下限是密切相关的。

从传热角度来看,做IV型瓶目的是提高车载时的储氢密度,同时降低成本。但从加氢站的角度来看,因为Ⅲ型瓶和IV型瓶的传热特性不一样,如果用IV型瓶,遇冷用的多,能耗就提高了。这与用BEV、电动汽车道理一样,初期购车成本高,用时充电成本比加油的成本要低,算综合的。Ⅲ型瓶和IV型瓶是一样的道理,需要氢气遇冷多加了额外的成本,在加氢的时候,也要多摊一些氢气的成本。

降低成本还有一个很关键的因素是氢气加注量,氢气加注量与压缩机与储氢策略都是密切相关的。就拿储氢来说,正常的商业化运作,加氢站肯定是有峰有谷,尤其应对高峰的时候,一定是要有储氢的。国内有储氢的加氢站不是特别多,因为这里面涉及到很多审批各种方面的原因。但整体来言,上了储氢,可能带来审批的问题,同时初期投入提高,但如果把加注能力提高了,不一定比没有储氢的时候高。

加氢站工艺方面,通常对于一个稳态运行的工厂也好,或者一个站也好,设计时考虑的原则比较简单:一个物质守恒,一个能量守恒。对于加氢站而言,没有稳态,是一个动态的操作,只能假想这些车怎么来,负荷曲线是什么样,针对这些负荷曲线,比如储氢的压力分级,比如压缩机的策略,来做相应的优化。

整体而言,加氢站是一个系统的工程。加注能力与能耗之间是矛盾的。为了多加注氢气出去,为了加注速度快,可能需要额外的加遇冷,额外加了遇冷,能耗成本又增加了。所以需要研究比各个因素之间的耦合关系和对最后结果的影响关系,这样才能做到一个真正的定量化、高质量的加氢站。目前行业内对加注量比较关注,对技术本身关注的偏少。

关键字:加氢站

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