燃料电池车辆加氢基础设施设计与规划面临的挑战

1、背景介绍

为了实现可持续发展的目标，交通运输领域的能源生产和使用需要发生重大改变。氢能是为数不多的有可能以零碳排放量供应世界上大部分的运输能源需求的能源载体之一，因此受到了广泛的关注。随着燃料电池汽车和可再生能源发电技术的不断进步，一些国家已经开始了氢能的早期市场开发。然而，部署可持续的加氢基础设施面临着方法层面和应用层面的挑战，具体包括需要制定合理的规范以及实现加氢网络和不断增长的氢燃料电池车辆之间的协同发展等。

本文针对加氢基础设施的设计、规划和部署方面面临的挑战进行了综述，首先综述了可持续制氢的技术方案以及利用可再生能源和其他低碳能源发电与利用氢气为车辆提供动力之间的潜在协同效应。其次，本文讨论了从制氢厂到加氢站输送氢气的不同方案以及加氢站设计和成本问题，并论述了如何有效地确定加氢站的位置、规模和部署时间。之后，本文讨论了氢燃料汽车和加氢站协同发展过程中所面临的经济和政策挑战，以及如何应对技术进步、经济和市场发展方面的不确定性。最后，本文综述了全球氢能汽车和基础设施的进展和现状，并对未来发展前景、潜在效益、研究需求和必要的政策支持进行了展望。

2.、系统集成

氢气的生产和输运方法对加氢站的设计、规模和成本以及交通运输中所使用氢气的环境效益具有重要影响。氢气供应路径如图1所示。氢气可以从化石能源、可再生能源和核能源中产生，以压缩气体或低温液体的形式储存，并通过长管拖车或管道输送给用户。此外，氢气还可以转化成其他常用的能源载体，如电、甲烷或液体燃料。这一过程会产生转换成本和效率损失，但可以使氢能进入现有的能源分配网络，而不必另外建立庞大的氢气分配系统。

图1 氢气的生产、储存、运输和终端使用的路径

氢能的供应途径主要分为“集中式”和“分布式”两种，前者是指大规模生产氢气并通过长管拖车或管道分配给用户，后者是指在终端使用场所生产氢气，通常是通过小规模电解水制氢或蒸汽甲烷重整制氢（SMR）。选择最佳的氢气供应途径取决于需求的规模、位置和类型、区域主要制氢资源的相对成本、技术发展以及政策等。氢能供应链主要包括三个部分：生产、运输和加氢站。

目前，化石燃料的大规模集中热化学转化（通过天然气SMR或煤气化）是制造氢气的成本最低的方法，这种方法的单位功率成本（$/kW）和平准化制氢成本（$/kg）都是最低的。在化石能源制氢厂中增加碳捕获和储存（CCS）技术可以减少高达90%的温室气体排放，但同时也会增加25-50%的平准化制氢成本。与具有CCS的化石能源制氢相比，可再生生物质气化制氢具有更高的成本。另外，小规模分布式制氢比大规模集中生产成本更高，但可以削减氢气输运过程的额外成本。如今，在可以获得低成本水电的区域，大规模电解水制氢已经实现了商业化应用。但在短期内，可再生能源电解水制氢成本依然较高，电解水制氢需要在低电价和高电解槽容量配置的情况下才能与具有CCS的蒸汽甲烷重整制氢竞争。然而，在使用可再生能源时，很难实现低电力成本和高容量配置。但有研究表明，到2030-2050年，具有CCS的SMR的制氢成本没有明显变化，而可再生电解制氢的成本会显著降低。

对于氢气的运输过程，其运输成本主要取决于所运输的氢气量、运输距离、储存方法（压缩气体或低温液体）以及运输方式（长管拖车与管道）。图2展示了氢气运输的成本，其是所运输氢气量和运输距离的函数。图中氢气供应量为0.1-100吨/天，运输距离范围为10-500km。标签“G”表示采用压缩气体运输车运输成本最低的情况，“L”表示采用液氢运输车运输成本最低的情况，“P”则表示氢气管道成本最低的情况。可以看出，氢气运输成本对规模较为敏感，单位质量的运输成本随产氢量的增加而降低，且随距离的延长而增加。

图2 最低氢气运输成本随运输量和运输距离的变化情况

对于加氢站技术和成本问题，压缩机、储氢装置和站内制氢系统（如小型电解槽）是加氢站成本的主要来源。而通过扩大加氢站的规模，进行压缩机、储罐和电解槽等关键部件的大规模生产和工艺开发以及提高加氢站的利用率则可以大幅降低加氢站的成本。图3展示了加氢站的单位成本（＄/kg·day）与加氢站容量和时间的关系。加氢站具有很强的规模经济性，随着加氢站规模的增大和时间的推移，单位成本会逐渐降低。

图3 加氢站单位成本与加氢站容量以及时间的关系

3、 加氢站规划

加氢站（HRS）规划包括技术类型、数量、位置和规模（以及由此产生的利用率）的决策，这些加氢站将用于满足给定区域内燃料电池车辆不断增长的氢气需求。加氢站规划的目标是使给定约束下的预期系统成本最小，并为加氢站的部署建造提供指导。图4展示了加氢站规划的具体流程，加氢站的规划必须同时考虑供应（例如加氢站技术性能和成本）和需求（例如加氢需求的地点和频率）。过度建设会导致加氢站成本过高，从而使氢气价格超过可接受的范围。而建设不足可能会导致加氢不便，这将抑制购买燃料电池车辆的需求。在规划落地的过程中，系统成本有可能与预期有所不同。另外，规划时必须考虑需要遵守的相关法规和标准，这样才能尽量避免意外延误或额外成本的产生。部署建造多少加氢站以及在何处建设加氢站是加氢站规划的核心问题。加氢站选址优化最基本的方法是p-中值模型，即将其作为整数线性规划问题求解，p-中值模型已被应用于使加氢需求点到最近加氢站的加权平均距离最小化的问题。加权平均距离越小，氢燃料电池车的驾驶员就越容易到达加氢站。

图4 加氢站规划框架图（过程用实线矩形表示，结果用椭圆形表示，数据用虚线矩形表示）

在完成加氢站的规划之后需要对其进行部署，而每个加氢站的建设和运营都需要获得具有管辖权的各部门的批准。为了减少许可过程的时间和成本，需要为加氢站制定相应的规范和标准。

4、加氢站和燃料电池车辆的协同发展

如何更好地协调基础设施的建设和燃料电池汽车的生产销售对于成功过渡到氢能社会至关重要。由于过渡过程的复杂性和不确定性，迄今为止还没有开发出全面的氢能过渡模型来从根本上解决燃料电池汽车、加氢基础设施以及氢气生产和传输过程中的需求和供应问题。但已有的研究表明，向自给自足的燃料电池车辆和加氢基础设施市场过渡将至少需要10多年。在过渡初期，燃料电池车辆和加氢站都需要得到补贴以确保燃料电池车和终端氢气的价格不至于过高，从而为市场的发展创造动力，此外还需要相当于目前加油站数量15-20%的加氢站。但在早期市场中，如果将加氢站集中布置于可盈利的市场中，则可以使市场在少得多的加氢站数量下得到增长，从而促进局部地区加氢站和燃料电池车辆的协同发展。

5、全球加氢站的现状与规划

近年来，世界上加氢站的数量正在快速增长，并且几乎所有的加氢站建设都得到了政府大约50%的成本补贴。大多数加氢站都是以70MPa或35MPa加注氢气的。乘用车车载储氢的国际标准是70MPa，而商用车的储氢压力通常设计为35MPa。现有统计数据表明，大约15.5%的站点仅以35 MPa供氢，71.1%的站点仅以70 MPa供应，而13.4%的站点可在两种压力下向车辆加注氢气。图5显示了世界上不同国家按加氢站状态（公共和私人、在用和计划）划分的加氢站分布情况。大约五分之四的加氢站是对公众开放的，其他加氢站主要供公交公司使用或受到其他使用条件限制。

图5 不同国家的加氢站分布情况

6、总结与展望

氢燃料电池车辆技术得到了快速发展，但氢能供应系统还远不如电网那么发达。氢能基础设施的发展是成功推行燃料电池车辆的关键先决条件，这需要政府、行业和投资者进行重点规划和协调。世界各地正在努力建立区域级和国家级的加氢网络以支持燃料电池汽车市场的发展。目前约有30000辆燃料电池车在路上行驶，大约有400个加氢站提供支持。计划到2030年将有200万至500万辆燃料电池车以及数千个加氢站。在10年或15年的过渡期内，扩大氢气供应系统的规模可能使氢能具有成本竞争力。从长远来看，随着可再生能源发电和电解水制氢技术的进步和规模的扩大，可再生能源制氢将成为一种具有竞争力的清洁运输燃料。

对于运输领域氢能供应系统的研究包括了低碳制氢的开发、氢气储存、输送和加氢的关键部件技术。在对氢能和氢燃料电池车辆过渡阶段的仿真预测方面已经取得了一些进展，但还需要进一步的分析工具将消费者的选择和行为结合起来。为了更好地理解氢气如何用于未来的低碳能源系统，包括如何与电网和天然气管道系统的整合，这仍然需要进行相关的研究。