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何广利:衡量加氢站投资 运营成本很重要

北极星氢能网 来源:北极星氢能网    2021/4/12 11:03:20 我要投稿

北极星氢能网讯:“加氢站贵,大家往往关注初期投资,但最终影响投资收益的是初期设备投资,折旧,再加上运维成本。按我们分析的成果来看,加氢站的运营成本很重要,不仅是设备初期投资成本,从整个投资期来看,加氢站装备成本降低一百万,还不如单位质量氢气加注电耗降低0.3度电的影响更明显,所以一定降低运维成本。另外,未来设备降本通过两个方面努力,第一是技术进步带来的低成本材料,容易批量化生产,低难度的工艺。第二个量上来,产生规模化效应,成本自然会下降。”,国家能源集团北京低碳清洁能源研究院技术开发部经理何广利在“第三届综合能源服务产业创新发展大会氢能分论坛”上如是表示。此外,不同的氢气供给方式,将给加氢站技术带来不同的挑战。

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国家能源集团北京低碳清洁能源研究院技术开发部经理 何广利作《加氢站技术介绍及分析》方面的主题演讲。

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国家能源集团北京低碳清洁能源研究院技术开发部经理 何广利

以下为发言实录:

氢的应用,去年下半年双碳的事情出来之前,国内的重点关注还是在车这边,但是双碳目标提出后,现在更多关注前端绿氢的事情。我个人的观点,这两个路径缺一不可,是互相促进的,只有它量上来才能实现成本下降。从车这块目前大家反映出来说,按照加氢站氢气售价,车的运营成本是偏高的。怎么降低氢气的成本?发展各种技术,提高加注技术,提高储运技术等等都是一个途径。但从工业上普遍规律来讲,只有量起来它的成本下降才更明显。所以从这个角度来讲,不论说制氢后用作什么用途,都要发展,而且要同时发展,这才能真正达到工业化应用的程度。

一、燃料电池乘用车与商用车的车载储氢压力、储氢量要求不同

给大家介绍一下加氢站方面的情况。加氢站就是给大家汽车加注氢气的,目前国内加氢站统计出来有120多个,这里面包含了很多一个设备,算不上一个正规加氢站那种,都统计在内了,正规的加氢站数量,如果参照国际上一些规定来讲,相对数量还会比这少一些。

最近中石化提出到2025年要建一千多个加氢站,我们估算一下,单个站的设备投资一千万左右,也就是一百亿左右,所以整体来说还是行业规模偏小。但是没有加氢站,燃料电池汽车运行不起来。2025年目前按照规划来讲,燃料电池汽车数量要达到10万辆左右,没有这么多的加氢站支撑,车类的产业起不来,所以这个环节还是非常重要的。

国际上,按照刚才说全口径的统计,撬装的设备,还有固定的加氢站来说,中国已经算最多的了。另外,国外目前加氢站所建设的,针对的目标群体大多数都是乘用车。目前从国际上来讲,以前几大汽车公司定位,以丰田为例,燃料电池汽车的应用场景是,第一,乘用车里面B级车以上,商用车;而现在国内用的是物流车和大巴车。国内目前技术和推广情况来讲,还没有燃料电池乘用车的应用,都是燃料电池的物流车和大巴车。

二、目前车载储氢应用主流是高压储氢

加氢站数量规划上来讲,按照现在这个情况,2025年国内的目标肯定会超,原来我们在做工信部新能源汽车路线图的时候,当时规划说是2025年全国有1000多加氢站,现在中石化说他自己到2025年就要有1000座,如果真按这个执行下去的话,数量肯定会超。

国际上有一个非常重要的信号,韩国去年自己建了40座左右加氢站。现在韩国政府,包括现代汽车对氢能汽车非常重视,它的加氢站数量我认为会增长快些。日本建设的最早,数量目前也很多,但是这两年的发展速度没有韩国快。德国规划比较急,到2023年希望能有400个加氢站。

目前应用主流来讲,车载是高压储氢。这就导致了现在加氢站所做的都是加出去的是高压的氢气,两个等级,一个35兆帕等级,一个70兆帕等级。

三、不同供氢方式带来的挑战

氢气的供给方式。目前,国内很多是从以前做加气站这个行业转过来的,往往有些思路上和CNG站有点类似,加氢站和这两种形式相比起来有些相同的地方,也有不同的地方。对于燃料电池汽车和纯电动汽车竞争力比较,加注速度快肯定是个非常核心的,因为锂电池它的能量密度一直在提升,能量密度提升相当于续航里程在提升,但加注这个优点一定要保持。所以相对CNG站来讲,加氢站很关键要解决这个问题,但加注速度和温升是相矛盾的,所以如何解决快速加注过程中的温升是加氢站很关键的技术。

另外还要解决的氢材料的问题,我们听多了,很多说氢腐蚀这个事情,第一,它从现象上肯定是有的,第二,它发生的条件是什么。比较简单一个总结是高温高压会发生,加氢站里现在35兆帕等级的压力,低档次的就是35兆帕,高档是70兆帕,即使是35兆帕,这个压力已经比大多数化工行业上所遇到的压力都高了,这个压力还是很高的。在这种压力下,氢气对一些金属材料的腐蚀,没有一些很好的方法来长时间的研究和测试,如果压力到了70兆帕就更是。

另外,对于氢气来讲,它分子很小,所以它很容易泄漏。同时,加氢站里面它的工况是非常频繁动的过程,不像化工厂在用的时候,化工厂24小时都是比较稳定运行的,这样压力上去之后,这块封住了就封住了,可以了,这个压力不会卸下来。但是在加氢站它是间歇性操作,它是来回的周期性的压力升高降低的工作环境。这种对可靠性,对密封也有比较大的影响,所以这是对于做加氢站技术来讲一些关注的点。

1.外运氢-气氢

供氢方式也有很多,第一,20兆帕的管束车,现在很多厂家在出30兆帕,20兆帕也好,30兆帕也好,影响的是后面压缩机的配置。我们知道压缩机的排量,和进口压力是密切相关的。如果升到30兆帕之后,意味着压缩机的出口压力,可能它的工作范围会在5-30兆帕之间,现在20兆帕是5兆帕到20兆帕之间。压力范围宽了之后,一定会它是有挑战的。

2.外运氢-液氢

液氢最近提的比较多,不管国内还是国外,液氢的发展技术是伴随着航天技术发展起来的,包括美国为什么有那么多的液氢工厂,因为航天事业发达建起来的。液氢肯定也是一个非常好的运氢的途径。如果需要加注的是高压氢,运过来的是液氢,这个时候就涉及到加氢站里面存在液氢和高压之间的转换,目前转换是两种途径。

第一种途径是用高压的液氢泵先把液态氢气从低压液态变成高压液态。另外一种方法,在低压的时候把液氢先蒸发变成低压气氢,再通过压缩机把低压气氢变成高压气氢。

如果车上需要液氢的时候,要解决的不仅是在压缩和加注方面的问题,而是如何保持全过程热泄漏的问题。如果加注的是也是液氢。在整个氢气从槽车过来,站里面储存,再加注这个过程,一定不可避免的会有热泄漏,需要考虑如何解决。

四、加氢站的运营成本很重要

加氢站这个事情大家都说很贵,按我们分析,按目前这个现状,35兆帕加氢站的话,分析下来,设备算总账,1000万左右是挺贵。但要比的话,我个人认为,不能完全这么比,有人说我建一个快充,给纯电动汽车才几十万,不能这么比。要看每天加注出去多少能量,用这个来比,算一下投资,每天加注出去多少能量,这个数值加氢站并不贵。例如特斯拉在咱们上海有工厂,特斯拉的快充桩,如果按大巴车那个量,一天充出去那么多电的话,它的成本一样不会低,这是一个因素。

另外一个因素,加氢站贵,大家往往关注初期投资,但最终影响投资收益的是初期设备投资,折旧,再加上运维成本。按我们分析的成果来看,加氢站的运营成本很重要,不仅是设备初期投资成本,从整个投资期来看,加氢站装备成本降低一百万,还不如单位质量氢气加注电耗降低0.3度电的影响更明显,所以一定降低运维成本。

设备成本低一些肯定是更好,但我们知道整个成本的降低无非是两个,第一个是技术的进步带来的低成本材料,容易批量化生产,低难度的工艺。第二个,还有个工业上的规律,量上来,成本自然会下降。我们可再生能源也都是这个例子,只要量上来,能够规模化,成本就降下来。

五、加氢站核心设备亟待国产化

我们国家也支持很多卡脖子技术开发,在五部委做燃料电池示范城市评选的时候有专门强调国产化技术,针对车的应用这块现在强调非常多的就是燃料电池核心零部件的国产化。实际现在按我个人的了解,加氢站的国产化也差的很远。现在说有一百多个加氢站,进口的压缩机的比例至少有百分之八九十。

压缩机几个路线,无油的,液体的,它完全是两种原理。目前这两种在国际上也好,国内也好,加氢站用的居多。从特点上来讲,各有各的优势,一个能耗低一点,另外一个是频繁启停对寿命也有影响,各有优缺点。

发展趋势来讲,目前是非常传统的物理式的压缩,从国内国际也好。一些科技项目发展趋势来讲,做的比较多的就是偏化学的,比如电化学的,还有针对固态储氢材料的温度和压力效应这两者,目前美国DOE支持的比较多。至于化学的方式能否推广起来,现在还难说,但现在从研究领域还是挺热门。

另外很重要的,对于一个加氢站来讲,前面我提到一点,比如我运营成本,运营成本靠什么控制,整个加氢站的大脑,控制系统,设备和设备之间怎么协调,设备和设备之间怎么样配合策略,这个做的好,运行的时候可以带来两个效果。第一,最终我能耗要低一些,第二,有可能设备之间配合好的话,故障率就低一些。

加氢机重点就是解决加注过程中温升的问题,希望加注速度越快越好,但速度越快温升就高。现在通用化解决思路就是给氢气预冷,按照国外3分钟加满,氢气要到零下37度零下40度,氢气预冷到那么低的温度,又会耗能。所以对于加氢这块,需要有个途径,让它既快的加满,又不需要付出额外多少代价。

稍微介绍一下我们单位,我们是国家能源集团的核心研发机构,氢能这边几大块,针对副产氢纯化,就是针对燃料电池汽车的应用,对氢气品质要求很高,需要一些特殊的纯化方法。传统的方法能做到,但它带来的问题就是回收率会低一些,进来一百方的粗气,但可能出来六十方合格的气体,技术提高了有可能出来七十方合格的气体。

电解水制氢,不管通过哪种电解水制氢,最终还是要降低它的能耗。对于电解质设备来讲,能耗对氢气的成本影响是非常大的。

另外加氢站这里面主要做核心设备的开发,包括整站,包括加氢站,包括压缩机,包括液氢泵,尤其液氢这个事情,大家都知道国内现在没有特别多液氢的测试条件,像我们是在研究院北美中心做液氢的开发。这些年也做了不少项目,技术的发展总是需要时间的,在布局这个项目的时候都已经是两三年前了。这两年我们也承担了不少国家的项目,目前都在做。

稍微介绍一下标志性的,在冬奥会的时候大家会看到,有一个从电解水制氢运行,固定式加氢站,移动加氢站,都在运行。还有科技部的项目我们牵头在做,这两年科技部项目拿的比较多,氢能方面牵头比较多一些,这是从检测到纯化,到全周期品控都在做。

另外压缩机这个事情,现在国产还需要努力,至少市场占有率目前还是非常低,我们也希望有突破。针对我们自己这块也有各种研发平台在做,包括仿真的平台,仿真平台最重要是让人家认可,出来一个图很好看其实没什么用,按我们自己用的角度来讲,仿真精度很重要。

另外装备做出来,最终总是要用的,涉及到的氢气测试也很复杂很麻烦。现实中,在很多管制中把氢还是当作危险化学品来管理,如果要用氢气,很多管理部门审批还是挺麻烦。纯化方面,燃料汽车用氢的话,对品质要求很严格,我们也是国内少数几个具备车用氢气品质检测能力的单位之一。

整个加氢站系统设计,到目前为止,加氢站也好,我们目前在做加氢站站的时候,更多是把加氢站当作一个系统来看,通过系统优化技术,提高整体性能。还有一个很重要,国际上有个通用的,加注协议这个事情,把氢气以什么样的状态加到车上很重要,这个状态指的不是气态或者液态这么简单,而是包括初始的温度,压力,环境情况,最终加注后的压力是多少,温度是多少等等。

液氢泵说一下,是研究院北美中心做的,现在已经开始进行商业化的示范。这个液氢泵就是液氢运来之后,先用液氢泵把低压液氢变成高压的液氢。

目前我们开发的技术,在国内的应用包括集团内部和外部,有八座加氢站。

我们也在做一些标准,有些相关的标准我们也是牵头在做。还有参与的一些GB50516,GB50156的规范。整体就这么多,谢谢大家。

(来源:北极星氢能网,发言为北极星氢能网根据速记整理,未经本人审核,如需转载请完整转载全文不允许删减)

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