加氢站 :给燃料电池车提供氢气的燃气站

更新时间:2023-11-01 15:04

加氢站(英文:Hydrogen Refueling Stations)是给燃料电池汽车提供氢气的燃气站,最早的氢气加注站可以追溯到1980年代位于美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)的加氢站。加氢站由氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机三大核心设备组成,其为燃料电池车加注氢气的手段与加油站类似。

加氢站是全球应对气候变化,寻找替代清洁能源、推动氢能产业化发展的背景下发展起来的。截至2021年底,全球在营加氢站达到659座。中国从国家到地方,都在积极推动可再生能源的发展,积极推动氢能在交通运输领域的使用,推进加氢站等基础设施建设。截至2022年底,共建成投运加氢站358座。截至2023年11月,中国加氢站数量位居全球第一。

2024年6月2日,中国首个重载铁路加氢站——国家能源集团巴图塔加氢站正式投入商业运营。

产生背景

国际趋势

为应对气候变化,全球积极寻找低碳能源,其中氢能正逐渐成为热门替代能源。全球许多国家都在推动氢能产业化发展,纷纷颁布了氢能相关规划与政策,致力于占领氢能产业市场制高点。

中国发展

中国积极推动可再生能源的发展,大力支持新能源应用。尤其是“十四五”期间,中国可再生能源发展步伐明显加快,特别是氢能应用加速发展。《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》和《“十四五”可再生能源发展规划》充分体现了中国对氢能发展的决心。在政策加持下,国内多地政府加快氢能产业的布局,加大了加氢站建设、运营、配套设备的补贴力度,有力地促进了加氢站建设发展。同时,中国已经成为全球最大的制氢国,2022年氢气产能约为4000×104t,产量约为3300×104t。

组成与布局

加氢站系统依据不同的功能,可分为制氢单元(站内自制氢)或站外氢气输送单元、氢气调压干燥单元、氢气压缩单元、氢气储存单元、氢气加注售气单元统和加氢站控制单元六个主要单元。氢气压缩机、高压储氢罐、加氢机是加氢站系统的三大主要设备。

加氢站根据氢气来源不同,通过外部供氢设备设施或者站内制氢设备获得氢气后,经过氢气调压干燥单元处理合格后,为下游氢气压缩单元输送恒定压力的干燥氢气,随后经氢气压缩机做功压缩后,进入高压储氢罐组储存,同时根据外部销售情况,将压缩后的高压氢气通过氢气加氢机为氢气燃料汽车进行加注。

一般加氢站没有自制氢气的能力,大部分需要通过氢气长管拖车将氢气运输至加氢站,一般氢气运输在常温、20MPa工作条件下进行;氢气长管拖车到达加氢站后通过站内卸气柱,经氢气压缩机压缩增压后,输送至高压储氢瓶组;需要涉及分级加注氢气工艺流程时,分级使用低、中、高压三级气源,氢气由低到高,依次经加氢机平衡充装至氢气燃料汽车。

工艺流程

通过加氢机对氢气燃料汽车进行氢气加注时,先从氢气长管拖车取气,随着氢气不断加注,氢气长管拖车压力降低,当氢气长管拖车内的氢气工作压力与氢气燃料汽车上的车载储氢瓶工作压力到达平衡时,关闭氢气长管拖车出口阀门,终止氢气长管拖车出气;打开低压氢气瓶组出气阀门,开始从低压氢气瓶组出气,当低压氢气瓶组与氢气燃料汽车车载储氢气瓶内工作压力到达平衡时,车载储氢气瓶停止进气,关闭低压储氢瓶组出口阀门;以相同方式依次从中压储氢气瓶组、高压储氢气瓶组取气。

如果还有其他车辆需要加注氢气,控制系统开启氢气压缩机,氢气压缩机从氢气长管拖车内取气,氢气通过氢气压缩机增压后,直接给加氢机供气,直到汽车车载储氢气瓶加满氢气。若氢气瓶组工作压力低于系统控制压力时,控制系统自动启动氢气压缩机开始补压。

加氢站为燃料电池车加注氢气的方法与加油站类似。氢能源电动车充氢仅需3~5分钟,与加油车加注的时间大致相同。

风险与防范

主要风险

加氢站主要有两大类安全问题:一是加氢站的工作压力非常高,加氢站最大储存压力达到90MPa。二是加氢站主要的危险物质为氢气,氢气在常温、常压条件下是一种极易燃烧、无臭、无味、无色透明且难溶于水的气体。根据火灾危险分类,氢气是甲类气体,是国家重点监管的危险化学品,是世界上已知的密度最小的气体,通常氢气在1标准大气压和0℃密度仅为空气的1/14。另外,为了保证安全,氢脆问题必须考虑。因此,非常有必要对氢系统危险有害因素进行辨识,对加氢站的风险进行系统的评估以提高安全水平。高压氢气在制备、运输、压缩、储存及后续加注和使用过程中,均具有潜在的氢气泄漏和火灾、爆炸危险。

防范措施

优化站点建设布局

加氢站在选址阶段应根据城镇规划、环境保护和节约能源、消防安全等要求进行站点布局,应该设置在交通方便的位置,且应避开多尘或有腐蚀性气体及地势低洼和可能积水的场所。

采取工程保护措施

加氢站工程保护措施包括设置过流切断阀、合理布局站内建构筑物、采用防火防爆材料等。过流切断阀可以在泄漏事故发生时及时切断,减小火灾和爆炸事故的影响范围;根据定量风险评估确定的爆炸冲击波压力梯度分布,在总图设计时更合理地布置站内建构筑物;加氢站内的设施在有条件的情况下可采用防火防爆材料或涂敷耐火涂料。

强化站内安全管理

加氢站内安全管理手段包括定期检查氢气工艺和自控等设施、加强工作人员的培训、建立站外应急管理联动机制等。加氢站内成套设备设施应由具有资质的单位生产并具有合格证明文件,合格验收后方可进入调试阶段,并在投入运行后定期进行设备检查;提高加氢站工作人员的操作技术和安全意识,制定完善的加氢操作规程、检维修作业规程并监督执行;建立突发事件应急联动工作机制,加强站内外突发事件信息共享,统筹调配力量物资,确保能第一时间联合应对处置。

政策制定

国际

2019年,欧洲燃料电池和氢能联合组织发布《欧洲氢能路线图:欧洲能源转型的可持续发展路径》(《Hydrogen Roadmap Europe: A Sustainable Pathway for the European Energy Transition》),提出控制2℃温升的目标。

2020年,美国能源部发布《氢能项目计划》(《Hydrogen Program Plan》),设立了美国2030年氢能的技术、经济指标。

中国

国家政策

2019年11月,中华人民共和国国家发展和改革委员会印发的《关于推动先进制造业和现代服务业深度融合发展的实施意见》指出,要加强新能源生产使用和制造业绿色融合。推动氢能产业创新、集聚发展,完善氢能制备、储运、加注等设施和服务。

2020年12月,国务院办公厅发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,明确提出推进加氢基础设施建设,建立完善加氢基础设施的管理规范,引导企业根据氢燃料供给、消费需求等合理布局加氢基础设施,提升安全运行水平。

2021年10月印发的《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》指出,要推动电力、氢能、天然气、先进生物液体燃料等新能源、清洁能源在交通运输领域的使用;有序推进充电桩、配套电网、加气站、加氢站等基础设施建设;聚焦化石能源绿色开发和清洁低碳利用、可再生能源大规模利用、新型电力系统、节能、氢能、储能、动力电池等重点领域;加快氢能技术研发和示范应用。

地方政策

广州

2020年7月30日,广州市发展和改革委员会官网对外发布《广州市氢能产业发展规划(2019-2030)》提出,到2022年,环卫领域新增、更换车辆中燃料电池汽车占比不低于10%;公交、物流、工程服务、仓储、港口等领域燃料电池汽车示范运行不低于3000辆。建设绿色氢电综合调峰示范应用电站1座,建成加氢站不少于30座。氢能产业实现产值预计200亿元以上。到2030年,建设绿色氢电综合调峰电站不低于10座,建成加氢站100座以上。氢能产业实现产值预计2000亿元以上。

成都

2020年7月,《成都关于促进氢能产业高质量发展的若干意见》提出,按照年度累计加氢量,给予每千克20元、最高500万元的运营补贴。2021年3月底,成都市经信局等8部门印发《成都市加氢站建设运营管理办法(试行)》。《办法》规定,由成都市经信局牵头编制全市加氢站布局专项规划,并由成都市规划和自然资源局纳入城乡规划。为支持、鼓励加氢站建设,《办法》中提到,在符合相关规范和安全条件的前提下,支持合法建设的汽车加油站、加气站、充电站利用现有土地建设加氢站;支持将加氢站纳入成都市特许经营权目录管理,在符合安全条件要求的前提下,由站点所在区(市)县开展为期两年的试点探索;根据产业配套、示范推广等需要,可在符合成都市加氢站布局规划的发展核心区,适度有序选址建设制氢加氢一体站。

北京

2022年4月20日,北京市城管委制定《北京市氢燃料电池汽车车用加氢站建设管理暂行办法(征求意见稿)》,从4月18日起开始面向社会公开征求意见。“十四五”时期,北京市力争建成并投运加氢站74座,其中2023年前建成并投运37座。

应用实践

国际

最早的氢气加注站也许可以追溯到1980年代位于美国洛斯阿拉莫斯的加氢站,当时美国阿拉莫斯国家实验室为了验证液态氢气作为燃料的可行性而建造了该站,之后越来越多的加氢站逐渐建成。

据FuelCell Today统计,截至2006年,全球范围内建成的加氢站已达140多座,北美新建加氢站数量在全世界新建加氢站中的比重增大,发展更为迅速。同时除德国外,其它欧洲地区也加快了氢能基础设施的研究建设步伐。中国氢能联盟提供的数据显示,截至2021年底,全球在营加氢站达到659座。

中国

各地实践

2018年9月28日,武汉市首批氢燃料电池公交车在中国光谷武汉东湖新技术开发区359路公交线路试运行,武汉首座加氢站同步启用,标志着武汉市氢燃料电池动力公交车全面进入商业化示范运行新阶段。

2019年5月16日,广州市首座加氢示范站——东晖加氢站投入使用,是全国首个使用储氢罐设备的加氢站。6月5日,全球规模最大、等级最高的氢燃料电池车加氢站在上海化工区落成。上汽集团旗下20辆氢燃料动力电池轻客大通FCV80将开展示范运营,承担园区通勤工作。加氢站每天可为100辆大巴、300辆商务轻客、500辆乘用车提供加注服务。2019年以后,潍柴先后在山东潍坊、聊城市济宁市济南市等地批量投放氢燃料电池公交车。在潍柴的助力下,山东省建设了6座加氢站,7条公交运营专线,陆续投放氢燃料电池公交车超过200辆,累计运行达130万公里,是全球氢燃料公交线路最密集的区域之一。潍柴也由此成为了全球氢燃料电池商用车区域性示范投放产品最多的企业之一。

2021年1月6日,大兴区“两会”表示,北京中日创新合作示范区的全球日加氢量最大的加氢站于3月底前投入使用。

2021年8月27日,重庆市首座加氢站——位于两江新区鱼复新城的两江加氢站正式投用。同年10月19日,上海市首座能够同时满足35兆帕、70兆帕氢燃料电池汽车加注需求的油氢一体化综合能源供给站——中国石化上海石油青卫油氢合建站正式建成。该站日设计加氢能力为1000公斤,投用后将满足上海市青浦区、虹桥临空经济示范区的物流、环卫、公交等氢能车辆加注需求。

2022年3月22日,大兴区国际氢能示范区北区全面建成投运,这一项目的投产运行会加速促进氢能产业项目落地发展。

2022年11月24日,云南省首座加氢站——中石化云南石油丽江环城东路北油氢电服综合加能站首次加氢成功,正式具备车辆加氢能力。

2023年1月19日,大兴机场临空区加氢站项目挂牌成交,是北京市首宗氢气站项目。

2023年11月,安徽六安的中国国内首个兆瓦级氢能综合利用示范站,拿到安徽省首个制氢加氢一体站的经营许可证,意味着该站可以就近制氢,为附近的加氢站提供供氢服务。

2023年11月30日,中集安瑞科控股有限公司及其附属公司为城巴交付安装的香港首个撬装加氢站及使用中集合斯康公司Ⅳ型氢能车载瓶、供氢系统的首辆双层氢能巴士正式投入运营。这是香港历史上首个投入运营的加氢站及首辆用以载客的氢能巴士,标志着香港氢能应用取得里程碑式进展。

2023年12月,中国首座商业化分布式氨制氢加氢一体站——广西石油南宁振兴加能站建成并试投产。

2024年6月2日,中国首个重载铁路加氢站——国家能源集团巴图塔加氢站正式投入商业运营。巴图塔加氢站位于内蒙古自治区鄂尔多斯市,主要为国内大功率氢能源动力调车机车和“氢燃料电池+锂电动力电池”零排放接触网作业车提供加氢服务。巴图塔加氢站加氢能力达每天500千克,储氢能力为800千克,最快30分钟可加满一台氢能动力机车,所加注的氢燃料可供机车连续运行8小时,空载续航里程达800公里,预计每年可减少二氧化碳排放量约800吨。

快速增长

中国的加氢站规划布局和建设运营起步较晚,但发展速度快。2016年初,中国仅有3座加氢站;2017年、2018年加氢站分别新增5个和10个;至2019年,加氢站保有量已达49座(含已被拆除的2座);2020年加氢站数量激增至118座;2021年新增加氢站100座,共建成加氢站218座;2022年4月15日,中国在氢能加注方面获得新突破,已累计建成加氢站超过250座,约占全球数量的40%。截至2022年底,共建成投运加氢站358座。截至2023年11月,中国加氢站数量位居全球第一,并在国内规划建设长距离输氢管道。截至2023年12月,中国石化累计建成加氢站超100座。

相关事件

当地时间2019年5月23日,韩国江原特别自治道江陵,一个氢燃料储存罐发生爆炸事故,共导致2人死亡,另有6人受伤。美国加利福尼亚州,当地时间6月1日,空气化工产品有限公司的一处化工厂储氢罐和氢气运输拖车发生爆炸和火灾,所幸没有人员伤亡。当地时间6月10日,挪威首都奥斯陆郊外的一处加氢站发生爆炸。全球范围内,不到20天的时间里,发生了3次氢气相关的爆炸事件。

2020年4月7日,美国北卡州朗维尤(Long View)一家氢燃料工厂发生爆炸引发海外媒体的广泛报道,这次加氢站爆炸事故直接导致附近60处房屋受损,庆幸的是没有造成人员伤亡。

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