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压缩机助力破解国内氢能大规模应用难题

  2020年4月,国家能源局发布《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》,刷新了对能源的定义,氢能被列为能源范畴,这将是中国第一次从法律上确认氢能属于能源。
  氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。作为二次能源,来源多样,包括工业副产气制氢、电解水制氢、化石燃料制氢、化工原料制氢以及与可再生能源发电结合。应用场景丰富,可广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域。
  目前,氢能产业最受瞩目的应用场景是氢燃料电池汽车。在国家和地方政府的政策支持下,近几年我国氢燃料电池汽车行业发展迅速。2017年,我国燃料电池汽车总销量为1272辆,2018年为1527辆,2019年为2737辆,近三年复合增速为46.69%,历年累计销量为6175辆。
压缩机助力破解国内氢能大规模应用难题
  截至2020年4月底,我国累计建成71座加氢站。但业内普遍认为加氢站基础设施远远不够——目前我国氢燃料电池汽车产业链基本打通,而氢能和燃料电池产业的大规模应用的难点还在于氢气的储运和加注环节。该难题一旦解决,我国氢能和燃料电池产业将进入大规模市场化阶段。
  下面就氢气的储运加难题,将逐一分析。
 
  加氢站
  基础设施加氢站是利用氢能和促进氢能发展的重要环节,是为燃料电池车充装燃料电池的场所。不同来源的氢气经氢气压缩机增压后,储存在高压储氢罐内,再通过氢气加注机为氢燃料电池车加注氢气。在商业运行模式下,乘用车氢气加注时间一般控制在3-5分钟。
  根据氢气来源不同,加氢站分为站外制氢加氢站和站内制氢加氢站两种。外供氢加氢站通过长管拖车、液氢槽车或者管道输运氢气至加氢站后,在站内进行压缩、存储、加注等操作。站内制氢加氢站是在加氢站内配备了制氢系统,制取的氢气经纯化、压缩后进行存储、加注。站内制氢包括电解水制氢、天然气重整制氢等方式,可以省去较高的氢气运输费用,但是增加了加氢站系统复杂程度和运营水平。
  根据加氢站内氢气储存状态不同,加氢站有气氢加氢站和液氢加氢站两种。目前全球400多座加氢站中,30%以上为液氢储运加氢站,主要分布在美国和日本。相比气氢储运加氢站,液氢储运加氢站占地面积小,同时液氢储存量更大,适宜大规模加氢需求。
  目前我国加氢站建设还属于发展初期,截至2020年4月底,我国累计建成71座加氢站,且加氢量在500kg/天以下的试验和示范项目居多,运输距离基本在200公里以内,现阶段国内运营的加氢站基本都为站外制氢加氢站。
  1.加氢站核心设备
  加氢站三大核心设备为氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机,其中压缩机成本占比最高,约占总成本的30%。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。
  (1)高压储氢装置
  储氢罐很大程度上决定了加氢站的氢气供给能力。加氢站内的储氢罐通常采用低压(20-30MPa)、中压(30-40MPa)、高压(40-75MPa)三级压力进行储存。有时氢气长管拖车也作为一级储气(10-20MPa)设施,构成4级储气的方式。
  与石油加氢反应器、煤加氢反应器等高压高温临氢容器和传统氢气瓶式容器相比,加氢站储氢罐具有以下4个基本特点:①高压常温且氢气纯度高,具有高压氢环境氢脆的危险;②压力波动频繁且范围大,具有低周疲劳破坏危险(商用站尤为如此);③容积大,压缩能量多,氢气易燃易爆,失效危害严重;④面向公众,涉及公共安全。
  目前,加氢站储氢罐用的主要材料有为Cr-Mo钢、6061铝合金、316L等。对于Cr-Mo钢,我国常用材料为ASTM A519 4130X(相当于我国材料30CrMo)。国外在高压储氢装置方面技术领先,代表企业有美国CPI、美国AP等。国内浙江大学的科研团队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,但尚未实现成品批量生产。
  (2)氢气压缩设备
  常用的氢气压缩设备为压缩机,压缩机是将氢源加压注入储气系统的核心装置,输出压力和气体封闭性能是其最重要的性能指标。目前加氢站使用的压缩机主要有隔膜式压缩、液驱压缩机和离子式压缩机三种。
  隔膜式压缩机因无需润滑油润滑,从而能够获得满足燃料电池汽车纯度要求的高压氢气,并且隔膜式压缩机输出压力极限可超过100MPa,足以满足加氢站70MPa以上的压力要求,但隔膜式压缩机在压缩过程中需要采用空气冷却或液体冷却的方式进行降温。离子式压缩机能实现等温压缩,但因技术尚未成熟,没有大规模使用。
  目前,国际上主要的隔膜式压缩机生产商有美国Hydro-PAC、PDC等。国产替代速度在加快,比如中鼎恒盛、北京天高、恒久机械等等。
  液驱压缩机则以美国Haskel、德国麦格思维特等为代表。离子式压缩机能实现等温压缩,但因技术尚未成熟,没有大规模使用。
  (3)氢气加注设备
  加氢机是实现氢气加注服务的设备,加氢机上装有压力传感器、温度传感器、计量装置、取气优先控制装置、安全装置等等。
  当燃料电池汽车需要加注氢气时,若加氢站是采用4级储气的方式,则加氢机首先从氢气长管拖车中取气;当氢气长管拖车中的氢气压力与车载储氢瓶的压力达到平衡时,转由低压储氢罐供气;依此类推,然后分别是从中压、高压储氢罐中取气;当高压储氢罐的压力无法将车载储氢瓶加注至设定压力时,则启动压缩机进行加注。加注完成后,压缩机按照高、中、低压的顺序为三级储氢罐补充氢气,以待下一次的加注。这样分级加注的方式有利于减少压缩机的功耗。
  氢气加注设备与天然气加注设备原理相似,由于氢气的加注压力达到35MPa,远高于天然气25MPa的压力,因此对于加氢机的承压能力和安全性要求更高。根据加注对象的不同,加氢机设置不同规格的加氢枪。如安亭加氢站设置TK16和TK25两种规格的加氢枪,最大加注流量分别为2kg/min和5kg/min。加注一辆轿车约用3-5分钟,加注一辆公交车约需要10-15分钟。
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  国内35MPa的加氢机已基本实现国产替代,但加氢枪、流量计等核心零部件还是依赖进口,国内厂商主要有舜华新能源、国富氢能、海德利森、液空厚普等。70MPa加氢机技术上没有问题,下一步的目标是改进产品工艺,把体积降下来,控制成本。
  (4)站控系统站控系统作为加氢站的神经中枢,站控系统控制着整个加氢站的所有工艺流程有条不紊的进行,站控系统功能是否完善对于保证加氢站的正常运行有着至关重要的作用。
  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。为与客车配套,现有加氢站采用了45MPa隔膜式压缩机、45MPa储氢罐和35MPa氢气加注机等设备,压力标准提升还有待70MPa燃料电池汽车的普及。
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  我国已建成加氢站的站控系统一般由加氢站承建方或是加氢机设备供应商来提供,目前主要是由舜华新能源、国富氢能、海德利森等提供。
  2.加氢站主流路线
  目前加氢站的技术路线可分为三类:电解水制氢、天然气重整制氢和站外供氢技术。其中电解水制氢、天然气重整制氢为站内制氢技术。
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  (1)电解水制氢技术路线
  电解水制氢的技术目前已经十分成熟,适合于小规模的制氢,并能在站内实现零排放,因而欧洲大多数加氢站都采用这种技术。
  站内电解水制氢加氢站工艺流程:水在电解装置的阴阳两极分别产生氢气和氧气。氢气进入气水分离器进行干燥,干燥后在氢气纯化器中纯化。本流程中纯化的目的是除去氧气及杂质,以达到燃料电池汽车对氢气质量的要求(氢气体积分数>99.9999%)。
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       纯化后的氢气通过缓冲罐后进入压缩机内被压缩,并先后输送至高压、中压、低压储氢罐中分级储存。需要对汽车进行加注服务时,加氢机可以先后从低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐中按顺序取气进行加注。
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  (2)天然气重整制氢技术路线
  脱硫后的天然气和水蒸气在高温、催化剂的条件下在重整装置中反应生成氢气、一氧化碳以及二氧化碳等。随后通过变压吸附装置(PSA)将氢气分离出来。分离出来的氢气进一步在氢气纯化器中纯化。本流程中纯化的目的是进一步除去一氧化碳、二氧化碳、甲烷等杂质,以达到燃料电池汽车对氢气质量的要求(氢气体积分数>99.9999%)。
  纯化后的氢气通过缓冲罐后进入压缩机内被压缩,并先后输送至高压、中压、低压储氢罐中分级储存。需要对汽车进行加注服务时,加氢机可以先后从低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐中按顺序取气进行加注。
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  (3)外部供氢技术路线氢气长管拖车将氢气运输至加氢站后,装有氢气的半挂车与牵引车分离并和卸气柱相连接。随后氢气进入压缩机内被压缩,并先后输送至高压、中压、低压储氢罐中分级储存。需要对汽车进行加注服务时,加氢机可以先后从氢气长管拖车、低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐中按顺序取气进行加注。
  目前,我国已建成的71座加氢站,只有山西大同加氢站是站内电解水制氢加氢站,上海驿蓝加氢站是全国首个管道输氢的加氢站,其他的加氢站均为外部供氢加氢站。
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  氢气储存
  1.高压气态储氢
  当前高压气态储氢技术比较成熟,是目前最常用的储氢技术。该技术采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。储氢罐主要由压力部件金属套筒、聚合物或金属衬板、碳纤维增强层、防冲击外罩和底座组成,可有效增强气罐的抗冲击能力,提高安全性,同时灌装氢气方便。
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  根据应用方式的不同,高压气态储氢分为车用高压气态储氢和固定式高压气态储氢。
  车用高压气态储氢主要应用于车载系统,大多使用金属内胆碳纤维全缠绕气瓶(III型)和塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶(IV型),当前国内车载系统中主要以III型瓶为主,成熟的车载储氢技术为35MPa压力标准。70MPa的Ⅲ型储氢罐使用标准在2017《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》已经颁布,配套的70MPa加氢设备和系统在研发和小范围应用阶段。
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  固定式高压气态储氢主要应用在固定场所,如制氢厂、加氢站以及其他需要储存高压氢气的地方。目前主要使用大直径储氢长管和钢带错绕式储氢罐来储氢。国内生产固定式高压储氢罐的企业有石家庄安瑞科、鲁西化工、开原维科、巨化股份等。
  虽然高压气态储氢技术比较成熟、应用普遍,但是体积比容量小,未达到美国能源部(DOE)制定的发展目标,是该技术一个致命的弱点。除此之外,高压气态储氢存有泄漏、爆炸的安全隐患,因此安全性能有待提升。未来,高压气态储氢还需向轻量化、高压化、低成本、质量稳定的方向发展。
 
  2.低温液态储氢
  低温液态储氢技术是将氢气压缩后冷却到-253℃以下,使之液化并存放在绝热真空储存器中。与高压气态储氢相比,低温液态储氢的质量和体积的储氢密度都有大幅度提高,通常低温液态储氢密度可以达到5.7%。仅从质量和体积储氢密度分析,运输能力是高压气态氢气运输的十倍以上。
  低温液态储氢技术应用还存在一些难题有待解决。首先是液化耗电量大,把气态的氢变成液态的氢较难,液化1千克氢气就要消耗10-13千瓦时的电量。其次,为了能够稳定的储存液态氢,需要耐超低温和保持超低温的特殊容器,该容器需要抗冻、抗压,且必须严格绝热。因此,这种容器除了制造难度大,成本高昂之外,还存在易挥发、运行过程中安全隐患多等问题。
  液氢储运是当前的研发重点,日、美、德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一左右。日本企业为了支撑液氢供应链体系的发展,解决液氢储运方面的关键性技术难题,投入了大量研发,推出的产品大多已经进入实际检验阶段,如日本企业开发的大型液氢储运罐,通过真空排气设计保证了储运罐高强度的同时实现了高阻热性。
  目前,低温液态储氢已应用于车载系统中,在全球的加氢站中有较大范围的应用。但是在车载系统中的应用不成熟。液氢加氢站在日本、美国及法国市场比较多,目前全球大约有三分之一以上的加氢站是液氢加氢站。
  虽然如此,但我国的液氢工厂仅为航天火箭发射服务,受法规所限,还无法应用于民用领域。并且,受限于技术没有成熟,国内的应用成本很高。航天101所在液氢的制备、储运、应用上都有成熟的经验,国富氢能和中科富海也在尝试推广低温液氢技术在民用领域的应用。相关部门正在研究制定液氢民用标准,车用液氢技术研究正在进行中,未来液氢将应用在一些长途、重型商用车,以及加氢站中。
  3.储氢材料
  储氢材料主要可分为物理吸附类材料、金属合金氢化物材料、络合化学氢化合物材料、液态有机储氢材料等。碳质材料等物理吸附材料只能在较低温度下有足够的储氢密度,常温常压下其吸氢量远远低于商用储氢指标,并且制备碳纳米材料技术尚不成熟;络合化学氢化物储氢密度较高,但材料的加氢/脱氢的可逆性、加氢/脱氢过程的副反应等都是亟待解决的重要问题。所以目前在众多储氢材料中最有望突出重围的是金属合金氢化物材料和液态有机储氢材料。
 
  氢气运输
  运氢的方式主要有三种:气氢拖车运输(tube trailer)、气氢管道运输(pipeline)和液氢罐车运输(liquid truck)。
  氢能供应链中运氢环节主要包括制氢厂的运输准备环节(氢气压缩/液化、存储及加注)和车辆/管道运输过程所涉及的设备。
  根据运输中氢气所处状态,氢气运输分为气态氢气运输、液态氢气运输、有机液体氢气运输和固态氢气运输。
  总体而言,气态及液态氢气运输为目前国际上的主要运输方式。我国主要采用气氢拖车运输,适用于小规模短距离运输;液氢罐车运输适用于长距离运输,多用于航天及军事领域。随着氢能产业不断发展,氢气运输技术的进一步提高,气氢管道运输、液氢罐车运输等高效率低成本的运氢方式将会成为氢能产业运输发展的方向。
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