中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：說到為什么要建設(shè)加氫站，這個(gè)問題似乎有點(diǎn)老生常談，業(yè)界早已達(dá)成共識(shí)，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(duì)于氫燃料電池汽車而言，加氫站的重要程度相當(dāng)于加油站對(duì)于燃油汽車一樣。沒有一個(gè)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(shí)代可能還會(huì)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(xiàng)目在全世界各地火熱進(jìn)行，這些加氫站的建設(shè)及示范運(yùn)行活動(dòng)為今后積累了大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。本文將從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度著重介紹加氫站的建設(shè)。
由于氫能產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)尚屬新興產(chǎn)業(yè)，加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理制度體系缺位，加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)等行政審批程序不暢通；同時(shí)國(guó)內(nèi)加氫站設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)不足，我國(guó)加氫站推廣緩慢，已經(jīng)成為制約我國(guó)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(jì)競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)存形式（物態(tài)和壓力）與運(yùn)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(jì)在50-100千克/每天，在成熟的市場(chǎng)中，每日的加氫規(guī)模能夠達(dá)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(guó)Los Alamos，當(dāng)時(shí)美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為了驗(yàn)證液態(tài)氫氣作為燃料的可行性而建造了該站。1999年，德國(guó)慕尼黑開放了第一個(gè)公共加氫站，作為慕尼黑“ARGEMUC”聯(lián)合項(xiàng)目的一部分。之后許多國(guó)家和企業(yè)都對(duì)氫能技術(shù)給予高度重視，成立了各種國(guó)際性和地區(qū)性的組織，如國(guó)際氫能經(jīng)濟(jì)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(shí)證示范工程（JHFC）、歐洲清潔城市運(yùn)輸計(jì)劃（CUTE）等。這些組織及一些單獨(dú)民間力量在各地建立了許多加氫站，大大推進(jìn)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(dá)到100座以上，德國(guó)加氫站數(shù)量達(dá)到69座，同時(shí)除德國(guó)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(guó)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(duì)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(guó)內(nèi)加氫站成本過高，建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)不足以及頂層設(shè)計(jì)不足，加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理制度體系缺位，加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)等行政審批程序不暢通等多方面的因素，又使得我國(guó)加氫站推廣緩慢。這又使得氫能發(fā)展嚴(yán)重的受阻，形成了一個(gè)惡性循環(huán)。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前已運(yùn)行的加氫站數(shù)量是16座，33座在規(guī)劃建設(shè)中，計(jì)劃在2020年前達(dá)到100座。更多關(guān)于加氫站統(tǒng)計(jì)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?cè)谟懻摷託湔镜闹匾酝瑫r(shí)，除了分析市場(chǎng)和發(fā)展趨勢(shì)以外，還需要解決加氫站的真正問題：設(shè)計(jì)與成本。
加氫站設(shè)計(jì)
對(duì)于加氫站的設(shè)計(jì)，首先要考慮的是兩個(gè)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(duì)于氫氣需求量較小的情況，因所需壓縮機(jī)較小，可選擇移動(dòng)式加氫站，用壓縮機(jī)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(dòng)式加氫站的成本，就相對(duì)較高了，一般都會(huì)選擇固定式加氫站，其主要結(jié)構(gòu)除了中低壓儲(chǔ)氫罐、壓縮機(jī)、加注設(shè)備之外還有高壓串級(jí)儲(chǔ)氫系統(tǒng)。
氫氣的供給影響了加氫站的設(shè)計(jì)，之前在多個(gè)地方都討論過氫氣的儲(chǔ)存運(yùn)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(yùn)輸物流系統(tǒng)。
針對(duì)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(jì)根據(jù)氫氣運(yùn)輸方式的不同而不同。
說到運(yùn)輸方式，目前在氫燃料的運(yùn)輸過程中有三種主流方案：
液態(tài)氫燃料拖車運(yùn)輸
氣態(tài)氫燃料拖車運(yùn)輸
氣態(tài)氫燃料管道運(yùn)輸。
此外還有一種比較有前景的運(yùn)輸方式，有機(jī)液體氫載體運(yùn)輸（LOHC），又稱氫油運(yùn)輸，但因其目前運(yùn)輸成本、脫氫設(shè)備成本高及耗能高，暫時(shí)很少作為加氫站供氫方式。
加氫站設(shè)計(jì)除了與運(yùn)輸方式有關(guān)，根據(jù)注氫壓力等級(jí)的不同，設(shè)計(jì)理念也會(huì)有所不同。目前國(guó)際上比較主流的有以下三種加氫設(shè)計(jì)理念：
串級(jí)高壓注氫設(shè)計(jì)
增壓壓縮注氫設(shè)計(jì)
低溫液態(tài)泵注氫設(shè)計(jì)
這三種加氫設(shè)計(jì)的共同之處在于，都是用了串級(jí)高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)。通常，串級(jí)高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)都是有多個(gè)高壓儲(chǔ)氣瓶組成，這些儲(chǔ)氫瓶的儲(chǔ)氣壓力分為兩到三個(gè)不同壓力等級(jí)。對(duì)于一個(gè)加注能力為70MPa的加氫站，三個(gè)等級(jí)可以分別是：900bar、650bar和400bar。采用串級(jí)高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的好處是：
一方面這個(gè)系統(tǒng)可以作為緩沖系統(tǒng)，使得在非高峰期的時(shí)候，壓縮機(jī)也能運(yùn)作，將高壓氫氣儲(chǔ)存起來。這樣一來，就能減少壓縮機(jī)的閑置時(shí)間，同時(shí)也能大大減小壓縮機(jī)在高峰時(shí)段需要的峰值功率，從而降低壓縮機(jī)的成本。
另一方面，采用串級(jí)儲(chǔ)氫系統(tǒng)，能夠減少壓縮機(jī)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(jí)，其節(jié)能效果可想而知。
最后，串級(jí)也能便于控制加氫速率。給燃料電池汽車注氫時(shí)，通常從最低壓的儲(chǔ)氣瓶開始注氫，當(dāng)車內(nèi)儲(chǔ)氣罐壓力達(dá)到設(shè)定值的時(shí)候，自動(dòng)切換到中級(jí)壓力儲(chǔ)氣瓶，同理，最后切換到最高壓力儲(chǔ)氣瓶，直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力。這種注氫方式，能夠使得儲(chǔ)氣瓶和車內(nèi)儲(chǔ)氣罐的壓力差始終保持在一個(gè)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(shí)也能減小冷卻系統(tǒng)的成本。
雖然三種加氫設(shè)計(jì)的都采用了串級(jí)高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)，但是根據(jù)加氫站的氫氣來源、應(yīng)用場(chǎng)景的不同，其設(shè)計(jì)會(huì)有些許不同。
1. 串級(jí)高壓注氫設(shè)計(jì)
串級(jí)高壓注氫設(shè)計(jì)
這種注氫設(shè)計(jì)是目前國(guó)際上應(yīng)用的最為廣泛的一加氫設(shè)計(jì)，適用于氣態(tài)氫氣運(yùn)輸方式或就地制氫。無論是采用管道運(yùn)輸還是就地制氫，通常都會(huì)采用一個(gè)或多個(gè)大容量的中低壓儲(chǔ)氫罐，事前將足夠的氫氣儲(chǔ)存起來，來保障當(dāng)天或多天的需求；當(dāng)采用長(zhǎng)管拖車的運(yùn)輸方式的時(shí)候，通?？梢詫㈤L(zhǎng)管拖車直接當(dāng)做儲(chǔ)氫罐。壓縮機(jī)給高壓儲(chǔ)氫罐供氫過程與汽車注氫過程相反，通常按壓力等級(jí)由高到低的順序供氫，這樣能夠保證高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的儲(chǔ)氣量始終較足。
這種注氫設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，能夠大大降低壓縮機(jī)成本，增加壓縮機(jī)使用率，方便控制注氫速率，而且設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)潔。缺點(diǎn)是，高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)要求較高，成本也相對(duì)比較昂貴，因此應(yīng)適當(dāng)控制高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)容量和壓縮機(jī)功率的平衡。最重要的是，當(dāng)加氫站設(shè)計(jì)注氫壓力較高的時(shí)候，安全系數(shù)較低，對(duì)技術(shù)要求極為嚴(yán)格，目前能生產(chǎn)能夠耐受1000bar壓力的儲(chǔ)氫罐的生產(chǎn)商較少，且價(jià)格昂貴。
2. 增壓壓縮注氫設(shè)計(jì)
增壓壓縮注氫設(shè)計(jì)
對(duì)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?jí)高壓系統(tǒng)的壓力等級(jí)，在系統(tǒng)之后添加一個(gè)較小的增壓壓縮機(jī)（Booster compressor）。這種設(shè)計(jì)對(duì)主壓縮機(jī)及串級(jí)儲(chǔ)氫罐的要求相對(duì)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(jī)，且對(duì)其性能要求要高，價(jià)格也相對(duì)較高，總體來說，這種設(shè)計(jì)的總成本相對(duì)串級(jí)高壓注氫設(shè)計(jì)較高，僅在高壓儲(chǔ)氫罐安全系數(shù)較低及成本較高的情況，稍有優(yōu)勢(shì)。
3. 低溫液態(tài)泵注氫設(shè)計(jì)
當(dāng)采用氫氣低溫液態(tài)方式運(yùn)輸時(shí)，注氫過程可以采用低溫液態(tài)泵來代替多級(jí)壓縮機(jī)，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(jí)高壓儲(chǔ)氫罐；這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)很多；
一方面，低溫液態(tài)泵價(jià)格相對(duì)壓縮機(jī)較低，前期投入成本較低；
另一方面，液態(tài)升壓過程相對(duì)氣態(tài)加壓過程所需的電量要少很多，能夠降低運(yùn)營(yíng)成本；
此外，這種設(shè)計(jì)由于始終保持較低溫度，注氫時(shí)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(yùn)營(yíng)成本。
低溫液態(tài)泵注氫設(shè)計(jì)
然而這種設(shè)計(jì)需要保證氫氣始終處于低溫液態(tài)，對(duì)液態(tài)儲(chǔ)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(huì)有大概0,5%質(zhì)量的氫氣氣化，而氣化的氫氣會(huì)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(chǔ)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(guó)一個(gè)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(jí)的加氫站所需成本較國(guó)內(nèi)稍貴，約800-1000萬元。對(duì)于一個(gè)日加氫量為200kg的串級(jí)高壓儲(chǔ)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(jì)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(jī)，其次是儲(chǔ)氫設(shè)備，其中低壓日儲(chǔ)氫罐占13%，串級(jí)高壓儲(chǔ)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(jī)投入成本，首先應(yīng)該從壓縮機(jī)入手。和前面提到的一樣，要想降低壓縮機(jī)成本，得考慮降低壓縮機(jī)大小，而壓縮機(jī)的大小，和高壓儲(chǔ)氫罐的容量密切相關(guān)；高壓儲(chǔ)氫罐容量越大，所需要的壓縮機(jī)額定流量就越小；反之亦然。然而，高壓儲(chǔ)氫罐的成本隨容量增加也會(huì)增加，因此，不是壓縮機(jī)越小就越好，最好的辦法是找到一個(gè)兩者之間的平衡，以達(dá)到成本最優(yōu)化。下圖給出了，200kg加氫站的模擬壓縮機(jī)額定流量變化，壓縮機(jī)成本及對(duì)應(yīng)容量高壓儲(chǔ)氫罐的成本變化。從圖中可以看出來，壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)額定流量大約為15kg/h的時(shí)候，兩者成本之和最低；壓縮機(jī)再小下去，成本反而會(huì)回升。
200kg日加氫能力加氫站壓縮機(jī)及高壓儲(chǔ)氫罐價(jià)格
（來源：模型計(jì)算，單價(jià)數(shù)據(jù)采用H2A項(xiàng)目?jī)r(jià)格估算 ）
對(duì)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(jī)的投入，成本大大降低，對(duì)于一個(gè)日加氫量為200kg的液態(tài)儲(chǔ)氫加氫站，其成本可達(dá)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(yùn)營(yíng)成本。加氫站運(yùn)營(yíng)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(jí)相關(guān)聯(lián)，因此高壓儲(chǔ)氫設(shè)計(jì)和增壓壓縮設(shè)計(jì)，兩種加氫站加氫能耗相當(dāng)；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(yùn)營(yíng)成本遠(yuǎn)小于氣態(tài)儲(chǔ)氫加氫站。
200kg日加氫能力加氫站能耗（來源：模型計(jì)算）
從上面的分析來看無論是從前期投入還是從運(yùn)營(yíng)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(dāng)制氫地點(diǎn)與加氫站距離較近時(shí)，氫氣液化及液態(tài)氫氣運(yùn)輸所需成本較高，從而會(huì)導(dǎo)致氫氣整體價(jià)格偏高，液態(tài)加氫站不是在任何時(shí)候都是最佳選擇。因此，在設(shè)計(jì)加氫時(shí)應(yīng)該因地制宜，選擇最合適的設(shè)計(jì)流程。
