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我國加氫站發(fā)展現(xiàn)狀綜述及問題分析

2021-08-21 07:32段志祥
化工裝備技術(shù) 2021年4期
關(guān)鍵詞:液氫儲氫制氫

段志祥* 管 堅(jiān) 石 坤

(中國特種設(shè)備檢測研究院)

0 引言

氫能是最具發(fā)展?jié)摿Φ亩文茉碵1],可為氫燃料電池汽車提供動力,也是清潔能源的重要組成部分。加氫站是氫能利用過程中重要的一環(huán)。合理布局建設(shè)加氫站,可以促進(jìn)燃料電池汽車以及氫能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。目前我國加氫站主要分布于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)(如長三角、珠三角等),并多以內(nèi)部試驗(yàn)和測試用途為主,對外運(yùn)營的加氫站較少,其加注壓力一般為35 MPa[2]。根據(jù)2018年發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》,到2025年,將會有5萬輛氫燃料電池汽車,加氫站則不少于500座。

本文從我國加氫站工藝設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)體系、審批流程、氫能產(chǎn)業(yè)鏈條以及核心技術(shù)等方面的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā),分析我國加氫站發(fā)展所面臨的主要問題,并提出了我國加氫站的發(fā)展建議。

1 加氫站發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 加氫站工藝設(shè)備現(xiàn)狀

1.1.1 加氫站分類

按照氫氣來源分,加氫站可分為外供氫、站內(nèi)制氫;按加注壓力分,可分為35 MPa, 70 MPa;按照是否可移動分,可分為固定式、撬裝式、移動式;按照儲氫方式分,則可分為氣氫、液氫、固態(tài)儲氫和其他類別。

1.1.2 儲氫方式

儲氫方式一般分為化學(xué)儲氫(有機(jī)液體儲氫)、物理儲氫、吸附(固態(tài))儲氫。物理儲氫包括高壓氣態(tài)儲氫和液態(tài)儲氫。幾種儲氫方式的對比可見表1[4]。

表1 幾種典型儲氫方式對比

1.1.3 加氫站工藝流程

不同氫源的加氫站示意簡圖可見圖1。目前加氫站一般采用長管拖車外供、高壓儲存氣氫,工藝流程如圖2所示。

圖1 不同氫源加氫站示意簡圖

圖2 當(dāng)前典型加氫站工藝示意圖

1.1.4 氫壓縮機(jī)

氫壓縮機(jī)的主要目的是將來自長管拖車、管道或緩沖罐的氫氣壓縮至高壓狀態(tài),再送往儲氫容器或加氫機(jī)。根據(jù)流量、吸氣及排氣壓力,選擇合適類型的氫壓縮機(jī)。目前加氫站使用的壓縮機(jī)主要為隔膜式、離子式和液驅(qū)式壓縮機(jī)。

1.1.5 儲存裝置

加氫站的儲存裝置一般采用儲氫瓶組和高壓儲氫罐。

(1)氣氫儲罐

氣氫儲罐目前主要有兩種,一種為按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26466—2011《固定式高壓儲氫用鋼帶錯繞式容器》[4]制造的鋼帶錯繞高壓儲氫容器;另一種為多層包扎式高壓儲氫容器。

(2)儲氫瓶組

儲氫瓶組由多個大容積無縫鋼質(zhì)氣瓶或瓶式容器組成,自2010年開始應(yīng)用于國內(nèi),但該產(chǎn)品目前缺乏相應(yīng)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)液氫儲罐

國內(nèi)目前尚且沒有液氫儲罐應(yīng)用于民用加氫站。但隨著氫液化技術(shù)的國產(chǎn)化,液氫儲罐使用會越來越廣泛。

為了滿足車用儲氫氣瓶35 MPa和70 MPa壓力的加注要求,加氫站的高壓儲氫裝置壓力分別應(yīng)達(dá)到45 MPa和87.5 MPa。儲氫裝置需要考慮材料抗氫脆性能、材料的抗疲勞性能、使用壽命和定期檢驗(yàn)等參數(shù)。目前市場監(jiān)督管理總局正在組織制定專門針對加氫站用儲氫裝置的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行的管理技術(shù)要求。

1.1.6 加注

加氫機(jī)由質(zhì)量流量計(jì)、液晶顯示屏、順序控制系統(tǒng)、加氣軟管、加氫槍、防拉脫裝置和安全保護(hù)系統(tǒng)等部分組成。整機(jī)防爆等級為IIC T4,通常加氫流量<3.6 kg/min。

加注協(xié)議一般采用SAE J2601。加注壓力一般為35 MPa和70 MPa。相比35 MPa氫氣加注,在70 MPa條件下氫氣加注需滿足更高要求,參照SAE J2601標(biāo)準(zhǔn),氫氣在加注前需要預(yù)冷卻,最低冷卻至-40 ℃,加氫站還須配備制冷機(jī)和換熱器。

1.2 加氫站標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

我國加氫站現(xiàn)行的主要標(biāo)準(zhǔn)可見表2。近年來我國氫能發(fā)展速度較快,我國在涉及加氫站的某些環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)未能跟上行業(yè)發(fā)展的步伐,部分標(biāo)準(zhǔn)仍未出臺[5],如液氫運(yùn)輸、高壓儲氫、液氫儲存設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)等。加氫站加注協(xié)議采用SAE J2601,尚無中國的加注協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在運(yùn)營過程中,加氫站資質(zhì)許可條件、加氫站關(guān)鍵設(shè)備的檢測監(jiān)測、加氫站安全運(yùn)營管理等方面的規(guī)范具體實(shí)施還處于發(fā)展階段。涉及到加氫站具體安全要求、操作流程等的規(guī)范還不完善,尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,我國亟需建立加氫站安全運(yùn)行管理方面的標(biāo)準(zhǔn)體系。

表2 加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列表

1.3 加氫站規(guī)劃審批現(xiàn)狀

目前我國加氫站的規(guī)劃審批已有一些成功經(jīng)驗(yàn),但仍存在流程不規(guī)范、不統(tǒng)一,管理部門不明等問題。

1.3.1 管理歸屬有爭議

立項(xiàng)審批是加氫站建設(shè)的第一個重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前,我國還沒有發(fā)布關(guān)于加氫站審批程序的管理規(guī)定。部分已建成加氫站的城市,如武漢、佛山等地制定了加氫站的地方管理辦法。審批過程中出現(xiàn)的問題主要包括:對氫能管理歸屬不明、審批過程繁瑣等。按照?;饭芾?,氫氣還是按照能源來管理,目前爭議頗大。如果按?;饭芾?,建站審批流程復(fù)雜,準(zhǔn)入條件較嚴(yán)格;如果按照能源管理,建站的審批程序相對簡單,但在安全方面需增加更多要求。部分發(fā)達(dá)國家一般把氫能作為一種特定能源來管理。

1.3.2 主管部門不清晰

《關(guān)于落實(shí)〈政府工作報(bào)告〉重點(diǎn)工作部門分工的意見》(國發(fā)〔2019〕8號)確定“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”的工作,由財(cái)政部、工信部、發(fā)改委、商務(wù)部、交通部、住建部、能源局等部門按職責(zé)分工負(fù)責(zé)。但當(dāng)前全國各地加氫站的主管部門并不明確。如,廣東省的加氫站設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營的管理由省住建廳負(fù)責(zé);而武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))的加氫站項(xiàng)目準(zhǔn)入管理則由行政審批局負(fù)責(zé)。

1.3.3 行政許可要求不統(tǒng)一

加氫站的許可證書管理要求各地不一致。例如,佛山市根據(jù)《加氫站管理辦法》要求,在加氫站投入使用前需取得《加氫站經(jīng)營許可證》;武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū))根據(jù)《加氫站審批及管理暫行辦法》,加氫站須參照《城鎮(zhèn)燃?xì)夤芾項(xiàng)l例》,取得《燃?xì)饨?jīng)營許可證》后方可運(yùn)營。

1.3.4 缺乏加氫站規(guī)劃布局

根據(jù)GB/T 34584—2017《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》[6]規(guī)定,加氫站選址應(yīng)符合城鎮(zhèn)規(guī)劃,但當(dāng)前全國各地均未就加氫站選址出臺具體的規(guī)劃方案。

1.3.5 審批程序不清晰

審批程序涉及的主管部門較多。以佛山(云?。都託湔竟芾磙k法》為例,涉及的主管部門多達(dá)十個,在項(xiàng)目選址、用地、立項(xiàng)、規(guī)劃等審批以及報(bào)建等環(huán)節(jié)都需要審批各種項(xiàng)目,由于缺乏明確的管理辦法,一般審批時(shí)間都較長。

明確立項(xiàng)審批的程序,可促進(jìn)加氫站快速建設(shè)。目前,審批程序繁瑣和不規(guī)范是加氫站發(fā)展緩慢的一個重要原因。

1.4 加氫站供應(yīng)體系現(xiàn)狀

當(dāng)前大多數(shù)加氫站沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營,一方面是因?yàn)闅淠芄?yīng)體系尚未形成,另一方面是因?yàn)槿剂想姵仄嚾詻]有大規(guī)模推廣。

我國每年潛在的工業(yè)副產(chǎn)氫超過1 000億m3,發(fā)展?jié)摿薮鬅o比,急迫地需要有更好的儲運(yùn)方式。但工業(yè)副產(chǎn)氫主要用于燃料電池汽車,需要對其進(jìn)行提純。水電解的價(jià)格受制于電費(fèi);天然氣重整和甲醇裂解制氫的價(jià)格相近,是目前主要的制氫手段;煤制氫成本最低,但是規(guī)模要求大,成型慢。受多方面因素影響,目前加氫站的氫源基本為外供,站內(nèi)制氫很少。目前國內(nèi)的氫源分布不均,有氫源但氫燃料電池汽車沒能推廣的地區(qū),氫能也無法得到很好的利用。

工業(yè)副產(chǎn)氫是加氫站用氫的重要來源。但氫提純企業(yè)較少,產(chǎn)量不足,車用高純氫價(jià)格較高。當(dāng)前氫氣一般采用長管拖車或氣瓶集裝格運(yùn)輸,且壓力較低(通常為20 MPa),運(yùn)輸成本較高。雖然不少地方政府出臺了加氫站補(bǔ)貼措施,但建站費(fèi)用高,而且即使加氫站具備運(yùn)營條件,燃料電池汽車數(shù)量及加注頻率有限,維持加氫站正常運(yùn)營也較為困難。

1.5 關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀

加氫站建設(shè)費(fèi)用較高,設(shè)備成本占總成本一半以上[7]。建站成本居高不下的主要原因是核心技術(shù)沒有實(shí)現(xiàn)突破,關(guān)鍵設(shè)備主要依賴進(jìn)口,加氫站相關(guān)設(shè)備也沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。儲氫裝置也是建設(shè)加氫站的關(guān)鍵問題,其購置費(fèi)也是加氫站的主要投資成本。國內(nèi)企業(yè)能生產(chǎn)出符合法規(guī)、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的儲氫設(shè)備,是加氫站長期可持續(xù)發(fā)展的重要條件。

供氫關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)展。電解水制氫、太陽能光解水制氫成本較高,技術(shù)尚待突破;工業(yè)副產(chǎn)氫提純技術(shù)發(fā)展緩慢;站內(nèi)制氫技術(shù)尚不成熟;采用長管拖車輸送氫氣的效率較低,輸送效率有很大的提升空間;液氫儲運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性更好,但液氫制取、儲運(yùn)等技術(shù)還沒有實(shí)現(xiàn)民用,且與國際水平相差較大;加氫站的核心裝備氫壓縮機(jī)、加氫機(jī)等仍以進(jìn)口為主。相比于日本、歐美地區(qū)汽車普遍已實(shí)現(xiàn)70 MPa加注壓力的情況,我國氫燃料電池汽車車載儲氫系統(tǒng)仍以35 MPa為主。當(dāng)前,加氫站技術(shù)自主創(chuàng)新和研發(fā),還需要走很長一段路。

2 加氫站發(fā)展趨勢與建議

2.1 完善加氫站標(biāo)準(zhǔn)體系與管理體系

學(xué)習(xí)借鑒國外加氫站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),制定和完善適合我國具體國情的加氫站審批、建設(shè)、運(yùn)營、安全管理的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系。優(yōu)化加氫站工藝控制,規(guī)范加氫站的操作流程,提高安全監(jiān)測與安全防護(hù)能力,保障儲氫、用氫過程安全。建立加氫站監(jiān)測預(yù)警平臺,對加氫站運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測;做好應(yīng)急預(yù)案,及時(shí)應(yīng)對各種突發(fā)情況;構(gòu)建監(jiān)管體系,保障加氫站安全運(yùn)行。

2.2 規(guī)范加氫站建站審批流程

國家尚無明確的審批流程,各地的相關(guān)部門均在探索。審批流程一般包括:項(xiàng)目選址和立項(xiàng)階段、報(bào)建階段。從國家層面考慮,在充分調(diào)研并結(jié)合現(xiàn)有的審批管理辦法后,出臺全國統(tǒng)一的、能有效實(shí)施的加氫站審批管理規(guī)定。由于氣體性質(zhì)相似,建議可參照《燃?xì)廛囕v加氣站》的審批流程來制定加氫站的審批流程。同時(shí)精簡審批環(huán)節(jié),建議將性質(zhì)相同或類似的環(huán)節(jié)合并,如立項(xiàng)環(huán)節(jié)中的選址和核準(zhǔn),報(bào)建環(huán)節(jié)中的各種審查等。

2.3 構(gòu)建氫能產(chǎn)業(yè)良好生態(tài)環(huán)境

推廣風(fēng)電、水電等可再生能源制氫技術(shù),建設(shè)以制氫企業(yè)為中心的加氫站網(wǎng)絡(luò),推進(jìn)液氫儲存型加氫站等具有未來發(fā)展趨勢的加氫站建設(shè)進(jìn)程。通過提高充裝壓力(如將加注壓力從35 MPa提升到70 MPa),研發(fā)液氫加氫站或者深冷高壓充裝加氫站,實(shí)現(xiàn)更高的氫能利用率,提升氫運(yùn)輸和加注效率。

做好加氫站網(wǎng)絡(luò)布局,滿足氫燃料電池汽車的出行需求。研究氫油合建站和氫電合建站模式,充分發(fā)揮網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)勢,提高土地利用率,減少立項(xiàng)審批中的規(guī)劃、布局等環(huán)節(jié)。在燃料電池儲能和分布式發(fā)電等領(lǐng)域,開發(fā)氫能利用的多樣場景。建立良好的氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境,加速加氫站規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2.4 實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化

加氫站規(guī)?;l(fā)展的關(guān)鍵在于技術(shù)和設(shè)備國產(chǎn)化,重點(diǎn)需突破液氫制取儲存技術(shù),75 MPa以上高壓儲氫技術(shù),提高氣氫容器儲氫壓力,實(shí)現(xiàn)液氫儲運(yùn)關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化目標(biāo)。聚焦制約加氫站發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)并開展攻關(guān),如氫壓縮機(jī)、加氫機(jī)關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)加氫站工藝設(shè)備,實(shí)現(xiàn)加氫站關(guān)鍵設(shè)備自主生產(chǎn),降低建站及運(yùn)營的成本。

3 結(jié)論

從加氫站工藝設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)體系、審批流程、全產(chǎn)業(yè)鏈及核心技術(shù)等方面對我國加氫站發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,剖析討論了加氫站發(fā)展過程中存在的問題。提出了促進(jìn)我國加氫站發(fā)展的建議,并分析了我國加氫站的發(fā)展趨勢,得出如下結(jié)論:

(1) 目前我國的氫能產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期,加氫站技術(shù)設(shè)備國產(chǎn)化率不高;

(2) 加氫站審批流程還不規(guī)范,急需出臺統(tǒng)一的規(guī)范性文件;

(3) 需從氫制取、儲運(yùn)、加氫、氫利用全鏈條的各個環(huán)節(jié)共同推進(jìn),氫能才能實(shí)現(xiàn)良性、健康發(fā)展;

(4) 關(guān)鍵技術(shù)裝備國產(chǎn)化和完善加氫站標(biāo)準(zhǔn)體系,是我國加氫站未來快速發(fā)展的重要保障。

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