中國儲能網(wǎng)訊：說到為什么要建設(shè)加氫站，這個問題似乎有點老生常談，業(yè)界早已達成共識，加氫站的布局和建設(shè)，是氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)商業(yè)化發(fā)展的突破口。對于氫燃料電池汽車而言，加氫站的重要程度相當于加油站對于燃油汽車一樣。沒有一個完善而且優(yōu)化的加氫網(wǎng)絡(luò)，油表到紅的恐懼在新能源汽車的時代可能還會向鋰電汽車發(fā)展初始一樣上演。為了不走鋰電的老路，各種示范項目在全世界各地火熱進行，這些加氫站的建設(shè)及示范運行活動為今后積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。本文將從技術(shù)和經(jīng)濟角度著重介紹加氫站的建設(shè)。
由于氫能產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)尚屬新興產(chǎn)業(yè)，加氫站建設(shè)運營管理制度體系缺位，加氫站建設(shè)運營等行政審批程序不暢通；同時國內(nèi)加氫站設(shè)計、建設(shè)及運營經(jīng)驗不足，我國加氫站推廣緩慢，已經(jīng)成為制約我國氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要因素之一。
在氫燃料電池汽車普及的過程中，加氫站可以和傳統(tǒng)的加油站并站設(shè)置，節(jié)約人工等成本，提供經(jīng)濟競爭力，這也與目前部分快充站配套的鋪開策略相似。加氫站的設(shè)置規(guī)模，取決于每日氫消耗量，氫燃料儲存形式（物態(tài)和壓力）與運輸方式。在氫燃料的普及開始階段，每日加氫站的消耗量一般設(shè)計在50-100千克/每天，在成熟的市場中，每日的加氫規(guī)模能夠達到2000kg。
加氫站發(fā)展歷史及現(xiàn)狀
世界上最早的加氫站站可以追溯到上世界八十年代美國Los Alamos，當時美國阿拉莫斯國家實驗室為了驗證液態(tài)氫氣作為燃料的可行性而建造了該站。1999年，德國慕尼黑開放了第一個公共加氫站，作為慕尼黑“ARGEMUC”聯(lián)合項目的一部分。之后許多國家和企業(yè)都對氫能技術(shù)給予高度重視，成立了各種國際性和地區(qū)性的組織，如國際氫能經(jīng)濟合作組織（IPHE）、加州燃料電池合作組織（CaFCP）、日本氫能&燃料電池實證示范工程（JHFC）、歐洲清潔城市運輸計劃（CUTE）等。這些組織及一些單獨民間力量在各地建立了許多加氫站，大大推進了加氫站的發(fā)展，越來越多的加氫站也逐漸建成。
2018年，氫能的發(fā)展則更加迅猛，不斷有加氫站建成。截止到2018年年底，日本加氫站達到100座以上，德國加氫站數(shù)量達到69座，同時除德國外，其它歐洲地區(qū)也加快了氫能基礎(chǔ)設(shè)施的研究建設(shè)步伐。下圖展示了全球加氫站分布地圖，其中灰色及綠色表示已建成，黃色表示在建：
全球加氫站分布地圖（數(shù)據(jù)日期：19.12.2018；
數(shù)據(jù)來源：Ludwig-B?lkow-Systemtechnik GmbH）
相比之下，我國氫能產(chǎn)業(yè)仍處于初期階段，相比歐美和日本，加氫站的建設(shè)也相對緩慢，究其原因，
一方面，氫能需求不足，導(dǎo)致加氫站投入平均成本過高、難以大規(guī)模鋪設(shè)；
另一方面，國內(nèi)加氫站成本過高，建設(shè)及運營經(jīng)驗不足以及頂層設(shè)計不足，加氫站建設(shè)運營管理制度體系缺位，加氫站建設(shè)運營等行政審批程序不暢通等多方面的因素，又使得我國加氫站推廣緩慢。這又使得氫能發(fā)展嚴重的受阻，形成了一個惡性循環(huán)。
據(jù)統(tǒng)計，我國目前已運行的加氫站數(shù)量是16座，33座在規(guī)劃建設(shè)中，計劃在2020年前達到100座。更多關(guān)于加氫站統(tǒng)計分析，相關(guān)優(yōu)質(zhì)文章已經(jīng)很多，筆者不再累述。然而，我們在討論加氫站的重要性同時，除了分析市場和發(fā)展趨勢以外，還需要解決加氫站的真正問題：設(shè)計與成本。
加氫站設(shè)計
對于加氫站的設(shè)計，首先要考慮的是兩個問題：供給和需求。
需求主要決定了，加氫站的大小和選址。一般來說，對于氫氣需求量較小的情況，因所需壓縮機較小，可選擇移動式加氫站，用壓縮機或增壓泵直接將氫氣升壓，加注到燃料電池車輛，這樣還能使得加氫站脫離地理位置的限制。在氫氣需求量大的情況下，移動式加氫站的成本，就相對較高了，一般都會選擇固定式加氫站，其主要結(jié)構(gòu)除了中低壓儲氫罐、壓縮機、加注設(shè)備之外還有高壓串級儲氫系統(tǒng)。
氫氣的供給影響了加氫站的設(shè)計，之前在多個地方都討論過氫氣的儲存運輸配套問題，目前有兩種通行的解決方法：
在加氫站設(shè)置小規(guī)模裂解氫氣制造設(shè)備
大規(guī)模中心氫氣裂解制造設(shè)備，另加運輸物流系統(tǒng)。
針對以上內(nèi)外兩種供給方式，第一類氫氣來源，我們稱為站內(nèi)制氫加氫站；第二類氫氣來源，稱為外供氫加氫站。目前，全球各地加氫站均主要為外供氫加氫站。而外供氫加氫站的設(shè)計根據(jù)氫氣運輸方式的不同而不同。
說到運輸方式，目前在氫燃料的運輸過程中有三種主流方案：
液態(tài)氫燃料拖車運輸
氣態(tài)氫燃料拖車運輸
氣態(tài)氫燃料管道運輸。
此外還有一種比較有前景的運輸方式，有機液體氫載體運輸（LOHC），又稱氫油運輸，但因其目前運輸成本、脫氫設(shè)備成本高及耗能高，暫時很少作為加氫站供氫方式。
加氫站設(shè)計除了與運輸方式有關(guān)，根據(jù)注氫壓力等級的不同，設(shè)計理念也會有所不同。目前國際上比較主流的有以下三種加氫設(shè)計理念：
串級高壓注氫設(shè)計
增壓壓縮注氫設(shè)計
低溫液態(tài)泵注氫設(shè)計
這三種加氫設(shè)計的共同之處在于，都是用了串級高壓儲氫系統(tǒng)。通常，串級高壓儲氫系統(tǒng)都是有多個高壓儲氣瓶組成，這些儲氫瓶的儲氣壓力分為兩到三個不同壓力等級。對于一個加注能力為70MPa的加氫站，三個等級可以分別是：900bar、650bar和400bar。采用串級高壓儲氫系統(tǒng)的好處是：
一方面這個系統(tǒng)可以作為緩沖系統(tǒng)，使得在非高峰期的時候，壓縮機也能運作，將高壓氫氣儲存起來。這樣一來，就能減少壓縮機的閑置時間，同時也能大大減小壓縮機在高峰時段需要的峰值功率，從而降低壓縮機的成本。
另一方面，采用串級儲氫系統(tǒng)，能夠減少壓縮機能耗，相比將氫氣全部加壓至最高壓力，將氫氣壓縮至不同等級，其節(jié)能效果可想而知。
最后，串級也能便于控制加氫速率。給燃料電池汽車注氫時，通常從最低壓的儲氣瓶開始注氫，當車內(nèi)儲氣罐壓力達到設(shè)定值的時候，自動切換到中級壓力儲氣瓶，同理，最后切換到最高壓力儲氣瓶，直到達到標準壓力。這種注氫方式，能夠使得儲氣瓶和車內(nèi)儲氣罐的壓力差始終保持在一個較小值，使得加氫速率維持在一定范圍內(nèi)，防止溫度迅速上升，同時也能減小冷卻系統(tǒng)的成本。
雖然三種加氫設(shè)計的都采用了串級高壓儲氫系統(tǒng)，但是根據(jù)加氫站的氫氣來源、應(yīng)用場景的不同，其設(shè)計會有些許不同。
1. 串級高壓注氫設(shè)計
串級高壓注氫設(shè)計
這種注氫設(shè)計是目前國際上應(yīng)用的最為廣泛的一加氫設(shè)計，適用于氣態(tài)氫氣運輸方式或就地制氫。無論是采用管道運輸還是就地制氫，通常都會采用一個或多個大容量的中低壓儲氫罐，事前將足夠的氫氣儲存起來，來保障當天或多天的需求；當采用長管拖車的運輸方式的時候，通?？梢詫㈤L管拖車直接當做儲氫罐。壓縮機給高壓儲氫罐供氫過程與汽車注氫過程相反，通常按壓力等級由高到低的順序供氫，這樣能夠保證高壓儲氫系統(tǒng)的儲氣量始終較足。
這種注氫設(shè)計的優(yōu)點是，能夠大大降低壓縮機成本，增加壓縮機使用率，方便控制注氫速率，而且設(shè)計相對簡潔。缺點是，高壓儲氫系統(tǒng)對控制系統(tǒng)要求較高，成本也相對比較昂貴，因此應(yīng)適當控制高壓儲氫系統(tǒng)容量和壓縮機功率的平衡。最重要的是，當加氫站設(shè)計注氫壓力較高的時候，安全系數(shù)較低，對技術(shù)要求極為嚴格，目前能生產(chǎn)能夠耐受1000bar壓力的儲氫罐的生產(chǎn)商較少，且價格昂貴。
2. 增壓壓縮注氫設(shè)計
增壓壓縮注氫設(shè)計
對于注氫壓力要求較高（如最高注氫能力為1000bar）的加氫站，通?？梢越档痛壐邏合到y(tǒng)的壓力等級，在系統(tǒng)之后添加一個較小的增壓壓縮機（Booster compressor）。這種設(shè)計對主壓縮機及串級儲氫罐的要求相對較低，能夠大大減少相應(yīng)設(shè)備的成本，然而需要新增增壓壓縮機，且對其性能要求要高，價格也相對較高，總體來說，這種設(shè)計的總成本相對串級高壓注氫設(shè)計較高，僅在高壓儲氫罐安全系數(shù)較低及成本較高的情況，稍有優(yōu)勢。
3. 低溫液態(tài)泵注氫設(shè)計
當采用氫氣低溫液態(tài)方式運輸時，注氫過程可以采用低溫液態(tài)泵來代替多級壓縮機，直接將低溫液態(tài)氫升壓至所需壓力，再通過蒸發(fā)器，將液氫汽化，注入串級高壓儲氫罐；這種設(shè)計的優(yōu)點很多；
一方面，低溫液態(tài)泵價格相對壓縮機較低，前期投入成本較低；
另一方面，液態(tài)升壓過程相對氣態(tài)加壓過程所需的電量要少很多，能夠降低運營成本；
此外，這種設(shè)計由于始終保持較低溫度，注氫時不用擔(dān)心溫度過高，可以避免冷卻設(shè)備的投入成本和運營成本。
低溫液態(tài)泵注氫設(shè)計
然而這種設(shè)計需要保證氫氣始終處于低溫液態(tài)，對液態(tài)儲氫罐的保溫效果要求較高，一般來說即便在保溫效果非常好的情況下，每天也會有大概0,5%質(zhì)量的氫氣氣化，而氣化的氫氣會導(dǎo)致罐內(nèi)壓力升高，需要采用一定措施，將氣化氫氣導(dǎo)出，避免低溫儲氫罐壓力過大。
加氫站成本及優(yōu)化潛力
現(xiàn)階段加氫站建設(shè)最大的阻礙就是成本問題，目前我國一個日加氫能力為200kg的加氫站成本約為600-800萬元，歐洲同等量級的加氫站所需成本較國內(nèi)稍貴，約800-1000萬元。對于一個日加氫量為200kg的串級高壓儲氫加氫站，其成本分布如下：
200kg日加氫能力加氫站成本分布（來源：模型計算）
從圖表中可以看出，不考慮為其他成本的23%，占據(jù)加氫站成本最大一塊比重的是壓縮機，其次是儲氫設(shè)備，其中低壓日儲氫罐占13%，串級高壓儲氫罐占6%；冷卻設(shè)備的投入成本也比較高。要想降低壓縮機投入成本，首先應(yīng)該從壓縮機入手。和前面提到的一樣，要想降低壓縮機成本，得考慮降低壓縮機大小，而壓縮機的大小，和高壓儲氫罐的容量密切相關(guān)；高壓儲氫罐容量越大，所需要的壓縮機額定流量就越?。环粗嗳?。然而，高壓儲氫罐的成本隨容量增加也會增加，因此，不是壓縮機越小就越好，最好的辦法是找到一個兩者之間的平衡，以達到成本最優(yōu)化。下圖給出了，200kg加氫站的模擬壓縮機額定流量變化，壓縮機成本及對應(yīng)容量高壓儲氫罐的成本變化。從圖中可以看出來，壓縮機對應(yīng)額定流量大約為15kg/h的時候，兩者成本之和最低；壓縮機再小下去，成本反而會回升。
200kg日加氫能力加氫站壓縮機及高壓儲氫罐價格
（來源：模型計算，單價數(shù)據(jù)采用H2A項目價格估算 ）
對于采用低溫液態(tài)氫作來源的加氫站，避免了冷卻設(shè)備的投入以及壓縮機的投入，成本大大降低，對于一個日加氫量為200kg的液態(tài)儲氫加氫站，其成本可達500萬元以下。
除了前期投入成本，影響加氫站使用地還有其運營成本。加氫站運營成本主要和加氫站的加氫能耗有關(guān)。能耗主要來源于增壓設(shè)備和冷卻設(shè)備的能耗。增壓設(shè)備能耗主要和設(shè)備效率、增壓等級相關(guān)聯(lián)，因此高壓儲氫設(shè)計和增壓壓縮設(shè)計，兩種加氫站加氫能耗相當；而低溫液態(tài)加氫，采用液態(tài)增壓，需要做功較少，能耗較低；而且不需要冷卻裝置，因此運營成本遠小于氣態(tài)儲氫加氫站。
200kg日加氫能力加氫站能耗（來源：模型計算）
從上面的分析來看無論是從前期投入還是從運營成本角度來說，液態(tài)加氫站的成本都要低很多，因此整體看來，液態(tài)加氫站加氫成本比氣態(tài)加氫站要少不少。然而，加氫站的建設(shè)應(yīng)該考慮多方面因素以及上游氫氣成本。當制氫地點與加氫站距離較近時，氫氣液化及液態(tài)氫氣運輸所需成本較高，從而會導(dǎo)致氫氣整體價格偏高，液態(tài)加氫站不是在任何時候都是最佳選擇。因此，在設(shè)計加氫時應(yīng)該因地制宜，選擇最合適的設(shè)計流程。
