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国富氢能魏蔚:液氢加氢站最大瓶颈来自于液氢供应能力

日期:2021-08-16    来源:势银能链

国际氢能网

2021
08/16
11:06
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关键词: 国富氢能 液氢加氢站 液氢供应能力

在网络研讨会上,魏蔚从双碳目标下国富氢能的液氢发展战略、10-30吨/天氢液化工厂与液氢储运项目进展、面向各种车辆的液氢加氢站解决方案、车载液氢储氢与加注系统解决方案等四个方面进行了分享。

绿氢大规模转移采用的路线有迹可循

魏蔚表示,氢能技术是实现脱碳目标的重要路径。为了能够改变碳排放、实现脱碳目标,主要有4大革新技术,分别是可再生能源发电、清洁氢能、电池储能以及碳封存技术。

而在这四大脱碳变革性技术里,有三项与氢有着直接或间接的关系,而氢能在脱碳技术生态系统中是一个非常重要的部分,也是能源拼图的重要组成部分。因此,氢能作为二次能源,进入我国主流能源体系是大势所趋。

魏蔚认为,要实现绿氢大规模转移,采用何种路线是有迹可循的。由于电解水制氢纯度较高,而纯氢更适合燃料电池这个变革性技术的使用,所以纯氢的储运方式会使得终端应用(燃料电池汽车、高端制造业、燃料电池分布式能源等)更加便捷和节能。因此纯氢的转移路径会比化合态的转移路径更方便地输送到上述用户处。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

而高压、液氢和管网这几种转移路径与天然气的基础转移路径是非常相似的。如果电解水制出来的绿氢通过高压氢气长管拖车可以在就近区域内消纳;如果运输距离在200km以上甚至数千km以上,可选择液氢、氢气管道方式。

管道可以像天然气一样,氢进万家来推广使用分布式能源;而液氢,除了可以通过液氢储氢加氢站面向所有种类燃料电池汽车,还可通过气化站送向工业特种气体用户。

2020年底,我国新修订了《氢能与燃料电池汽车技术路线图》,其中在制氢环节鼓励可再生能源制氢,大力发展高效电解水制氢技术,到2030年碳达峰时要以绿氢为主要来源。

绿氢的储运离不开液氢,液氢是我国氢能基础设施最亟待解决的关键技术问题之首。通过液氢技术,可将全产业链(包括运输、加注等环节)的成本降低50%~70%(相对高压氢)。

魏蔚表示,在2025年,液氢和局域性输氢管网会开始商业化示范。而在2021年初,中国石油在河北的150km氢气管道项目正式开工,这表明长距离输氢管道已经开始进入我国氢能基础设施建设。

魏蔚表示,到2025年,我国加氢站保有量要超过1000座;到2030年,加氢站保有量要超过5000座。依照我国基础设施建设的速度,要做到这个数字没有问题。

国富氢能正努力为科创板IPO做准备

据魏蔚介绍,国富氢能作为氢能装备企业,从2016年成立以来,一直致力于高压和低温的纯氢技术路线;2017年,国富氢能在上海推广500辆燃料电池物流车运营,组建了产业联盟,并获得天使轮投资;2019年到2021年,国富氢能陆续完成了A轮、C轮和D轮融资。

截止2021年6月,国富氢能已经为我国近60座加氢站提供加氢成套设备,为近4000辆燃料电池车配套高压氢瓶及车载供氢系统,是国内最大的氢能装备制造企业之一。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

现在,国富氢能正努力为科创板IPO做准备。为符合科创板相应属性,国富氢能在知识产权方面做了早期布局,目前已授权115项专利,包括11件发明专利和9件软件著作权办登;在标准和课题项目方面,国富氢能参与了6项国家标准、3项团体标准的制定,并参与了多项国家重点研发课题和省级重大项目。

据介绍,国富氢能最终目标是打通“可再生能源绿氢+氢液化与液氢储运+液氢配送到终端应用”全产业链,为国家氢能产业发展创造价值,做好装备技术服务——

加氢站成套设备方面,国富氢能布局了液氢加氢站、液氢加氢机等产品;

车载供氢系统方面,除了Ⅲ型和Ⅳ型高压氢瓶,国富氢能还在研发车载液氢燃料罐;

超低温液氢装置方面,包括了8-30吨/天大规模氢液化装置、液氢运输容器、液氢储存容器等;

电解水制氢装置方面,国富氢能未来将通过电解水制氢装置的集成制造和开发来实现完整的绿氢产业链。

国富氢能8-10吨/天氢液化装置首台套即将完工

在研讨会上,魏蔚介绍了国富氢能自主研发的8-10吨/天氢液化装置及液氢罐式集装箱——

由国富氢能自主设计的8-10吨/天氢液化装置首台套即将完工,已完成核心零部件安装,正在进行最后集成;预计于2021年9月底完成低温性能检测并具备有发货条件,2022年初完成工厂安装调试,并具备生产液氢条件。

40英尺ISO液氢罐式集装箱目前已完成建造,并进行了低温性能试验,其中静态蒸发率<0.7%/天(LH2)(注:该数据是采用液氮进行试验后折算成液氢蒸发率),可确保15天以上的储存不排放维持时间。

相较于低温罐式集装箱,ISO液氢罐式集装箱大量采用奥氏体不锈钢,且内容器采用的是高规格316奥氏体不锈钢,包括部分外壳,避免氢气出现泄漏从而与碳钢接触导致容器破坏;阀门、管道多采用真空绝热阀门及管道,因此原材料成本及制造成本相对普通低温容器较高。

同时,魏蔚还介绍了河南洛阳液氢工厂项目。

据了解,国富氢能于 2020年初与合作伙伴联合成立了华久氢能源(河南)有限公司,项目一期总投资达2.8亿元,规划高压氢产能20吨/天,液氢产能8-10吨/天,预计于2022年达产;二期则规划了30吨/天液氢产能,预计2023年年底达产。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

2020年10月,国富氢能与华久氢能源(河南)有限公司签订了“8.6吨氢液化工艺包与液氢成套装备”的供货协议。

目前,该项目正顺利建设中。由于该项目位于河南洛阳,地处我国中部地区,无论是向北至京津冀地区、向南至珠三角/长三角,其距离均在1600km以内,可覆盖我国主要的氢能城市。

而在2021年,国富氢能落地山东淄博液氢工厂-氢能一体化项目,该项目规划年产能达13200吨液氢、7920万Nm3高压氢,总投资达5.39亿元,建设周期从2021年到2023年,其落地是为了支持淄博市和山东省“氢进万家”项目。

液氢加氢站的推广势在必行

在液氢加氢站方面,我国于今年先后修订发布了两个强制性加氢站国家标准,分别为GB 50516《加氢站技术规范》和GB 50156《汽车加油加气加氢站技术规范》。

其中,GB 50516针对的是单独加氢站的建设技术规范,并增加了液氢加氢站的内容;而GB 50156则提出,站内储氢可采用高压氢气储存和液氢储存方式。

至于其他储氢方式则需通过技术论证后采用,表明纯氢的储存方式更加被加氢站认可;而其他储氢方式能否形成产业化,还有待论证。

在建设液氢加氢站的过程中,更新了加氢站及合建站的等级划分,储氢总容量增加,站用液氢储罐可达40-60m3,单罐储氢量最高可达4吨,其储氢效率比高压储氢效率高几倍。

魏蔚表示,L-C-CcH2液氢加氢站可为各种车辆进行加注,通过液氢储氢可实现三种加注方式——

常温高压加注:液氢从液氢储罐出来,经由液氢柱塞泵和高压汽化器,可为35MPa/70MPa的高压车辆进行加注;

低压液氢加注:液氢从液氢储罐出来,经由低压液氢潜液泵,在1.6MPa的压力下为车辆加注液氢;

深冷高压加注(未来技术方向):液氢从液氢储罐出来,经由高压液氢潜液泵,可进行30MPa深冷高压加注。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

综上可发现,为不同车辆进行加注,仅仅是采用的泵不一样,液氢储氢可以面向各类车辆进行加注。

而液氢储氢加氢站的好处,不仅是突破了液氢储存技术,更重要的是,面向70MPa和Ⅳ型瓶的规模化推广。由于液氢温度较低,冷能利用可控制高压加氢过程中的温升情况,提升高压加氢的速度,保障70MPa和Ⅳ型瓶的安全,提高加氢效率。而这也是日本、欧洲在推广70MPa燃料电池乘用车时,同时大力推进液氢加氢站的原因。

在我国,目前政策主要是鼓励发展推广氢能重卡,电堆功率超过110kW,百公里耗氢8-11kg,车载储氢量达50kg以上,而其他储氢方式达不到相应的储氢密度,因此更加需要液氢来确保储氢密度。

因此,魏蔚表示,液氢加氢站的推广是势在必行的。

为了能够推广液氢储氢加氢站,液氢加氢站将来重点布局区域可能在我国五个燃料电池汽车推广示范城市群及“氢进万家”示范省(山东省),但也不排除其他省份也会布局液氢加氢站。

而在2021年初,国富氢能与佛燃能源、重塑科技及泰极动力在佛山规划建设3座液氢加氢站,到2023年将新增8-10座液氢加氢站。

需要注意的是,液氢储氢加氢站的日加氢能力较高,且液氢如果不能充分、快速有效地利用,会出现汽化损失,因此要建设液氢加氢站,其日加氢能力最好超过500kg/12h,最大加氢能力能超过2吨/天,这样才能在有限的项目空地上体现出更高的效率和经济性。

因此,魏蔚认为,布局液氢加氢站的最大瓶颈来自于液氢供应能力。一座液氢加氢站的最大加氢能力超过2吨/天,如果没有8吨-10吨/天甚至更大规模的液氢工厂,是无法配套多座液氢储氢加氢站。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

因此,液氢和液氢加氢站能够进入到终端的前提,是一定要做8吨、10 吨、30吨/天甚至更大规模的液氢工厂,才具有在交通、能源领域推广液氢的产业化意义。这也是为什么国富氢能在液氢工厂的时候,直接进入了氢膨胀制冷循环,进入8吨/天以上的领域,没有考虑8吨/天以下的技术路线。

目前车载储氢仍以35MPa/70MPa高压储氢瓶为主

据魏蔚介绍,到2020年,我国的燃料电池汽车和加氢站保有量在全球排名第三,但增速却是全球第一。

在今年,我国加氢站的建设速度继续提升,到2021年7月1日,已建成加氢站165座,2021年上半年建成27座加氢站,还有188座加氢站在建中或规划中。

也就说,到明年(2022年),我国可能是全球拥有投运加氢站最多的国家。

我国发展燃料电池交通的定位与日韩等国发展燃料电池乘用车情况不一样,我国有自己的国情与特色。

首先,发展动力电池和纯电动汽车就是为了拉动我国新能源的销售,促使更多可再生能源上电网。所以说,动力电池与纯电动汽车是我国的国策,不可能用一个新产业去遏制已经为国家做出巨大贡献的产业。所以,燃料电池汽车的定位,目标是动力电池和纯电动汽车难以企及的领域。

从经济效果来讲,燃料电池汽车更看重的是节能减排的效果、技术经济性以及产业化推广性。因为我国地域辽阔,如果不能产业化推广,根本起不到什么作用。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

为实现上述目标,我国发展燃料电池汽车重点面向大功率、长续航里程燃料电池车辆,比如重卡、跨城际运用客车、列车、轮船等等。从2021年的工信部推荐目录上可以发现,49吨重卡、35吨自卸车等大功率燃料电池商用车占据了主流。

关于车载储氢技术,有基于各种材料的化学储氢方式,也有纯氢物理储氢方式(气态高压、深冷高压和液氢)。而当在选择车载储氢方案时,需要考虑的问题主要有四个方面——

车用脱氢条件与产氢速度:物理储氢方式不存在各问题,如果采用化合态储氢方式,则需考虑;

针对PEM的氢气纯度保证:目前能够量产的主要是PEM燃料电池,高温燃料电池上车还存在瓶颈,不过PEM燃料电池需要超纯氢来保证性能及使用寿命;

系统体积与重量储氢密度:车上的系统体积密度和重量储氢密度要求较高,需合理布置车载储氢系统,尽可能减少空间、降低重量;

燃料加注速度与基础设施:我国地域辽阔,需要大量的基础设施,若是选择的技术路线没有足够的基础设施,则车辆无法正常运行。

从产业化角度上讲,虽然现在有很多基于材料的储氢方式不存在极端温度、压力的工况,相对安全性更高,但是采用高压储氢、液态储氢等方式,更容易实现产业化,更符合交通车辆用户的要求。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

对于车载物理储氢方式,无论是70MPa、35MPa,还是液氢、深冷高压,都有合适的燃料电池车型——

燃料电池乘用车,储氢空间有限却对续航里程有一定要求,适合采用70MPa储氢系统;

燃料电池商用车,对系统体积就和储氢密度不敏感,采用35MPa更为经济;

若采用深冷高压复合储氢方式,则车载储氢量需超过10kg才能具有经济性;

若采用液氢储氢方式,则车载储氢量需超过50kg才能具备经济性。

所以说,目前的燃料电池客车、小型车辆,还是以35MPa和70MPa的高压气态储氢系统作为主流方向。

液氢技术可确保安全性、优良性能及成本优势

而从技术指标和安全性上来比,随着储氢量的增加,考虑到安全性、能耗等问题,液氢和深冷高压要比高压常温气态储氢具有更高的安全性,这是因为高压储氢的绝热膨胀能远大于深冷高压和液氢,而降低温度能够降低绝热膨胀能,降低危害性。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

从储氢密度、加注损耗、体积能量密度、质量储氢密度、量产系统储氢成本来看,高压氢气的储氢成本未来降到大约2000元/kg后就没有下降空间,这是因为高压气态储氢的储氢量比较小;而液氢将来的量产系统储氢成本较低,是因为液氢罐的储氢量较大,可以做到800元/kg以下的成本。对成本要求较高的重卡来说,液氢将是一个比较好的选择。

此外,魏蔚还讲解了大功率重载交通工具的储氢需求。基于液氢的储氢技术,在提高储氢密度和储氢量从而提升续驶里程方面,相对其他储氢方式更具备优越性。无论是重卡、船舶、飞机,都希望有更长的续航里程、更短的加注时间、更大的储氢量。

在燃料电池车辆上运用的时候,液氢与深冷高压储氢皆可采用。其中,液氢的难点在于需维持低温(-253℃)且容器最好大于1m3,因此,当车载储氢量超过50kg,液氢技术才更能确保安全性、优良性能及成本优势。

而深冷高压储氢采用的是高压瓶,虽然储氢密度较高、系统较为简单,但单罐容积不会超过500L;当储氢量超过80kg,需要多个深冷高压瓶,其成本相对较高。因此,深冷高压储氢技术适合10-80kg的储氢范围。

在我国发展深冷高压储氢,难点主要在于标准突破。因为在技术壁垒方面,无论是容器材料、制造工艺还是配套关键零部件都已得到解决。最大的问题在于,全球范围内尚未建立起深冷高压容器标准体系。因此我国要突破这个标准体系,从“0”到“1”,难度较大。

国富氢能一直致力于面向燃料电池重卡的配套装备及基础设施,因此在车载液氢瓶研究进展方面,从2017、2018年起开始承担国家相应课题,均是针对重载交通工具的车载液氢瓶及加注。

在2021年,国富氢能的液氢试验瓶在满载液氢的情况下先后开展并完成了火烧、蒸发率、维持时间及极限压力等测试,证明低温气瓶的安全系数高于碳纤维缠绕高压氢瓶。

图片来源:国富氢能《液氢产业链解决方案项目进展及前景》

当下,由于液氢产业链尚未完全实现,国富氢能目前为客户做的储氢方案主要是高压储氢方式。国富氢能在2021年为中车400kW机车“氢龙一号”配套储氢系统,采用了28×210L 35MPa高压储氢瓶,储氢量约为140kg,系统总重量超过3吨。

不过,若是采用液氢,要达到140kg车载储氢量,采用2个1100L液氢燃料罐即可,系统总重量约为1300kg,不仅系统体积下降60%左右,若产能达5万套/年,系统成本大约为5万元,系统储氢成本只要700元/kg。


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