加氢站的设计有哪些？成本优化潜力又在哪？

　　说到为什么要建设加氢站，这个问题似乎有点老生常谈，业界早已达成共识，加氢站的布局和建设，是氢能和燃料电池汽车产业商业化发展的突破口。对于氢燃料电池汽车而言，加氢站的重要程度相当于加油站对于燃油汽车一样。没有一个完善而且优化的加氢网络，油表到红的恐惧在新能源汽车的时代可能还会向锂电汽车发展初始一样上演。为了不走锂电的老路，各种示范项目在全世界各地火热进行，这些加氢站的建设及示范运行活动为今后积累了大量的数据和经验。本文将从技术和经济角度着重介绍加氢站的建设。

　　由于氢能产业在国内尚属新兴产业，加氢站建设运营管理制度体系缺位，加氢站建设运营等行政审批程序不畅通；同时国内加氢站设计、建设及运营经验不足，我国加氢站推广缓慢，已经成为制约我国氢能产业快速发展的重要因素之一。

　　在氢燃料电池汽车普及的过程中，加氢站可以和传统的加油站并站设置，节约人工等成本，提供经济竞争力，这也与目前部分快充站配套的铺开策略相似。加氢站的设置规模，取决于每日氢消耗量，氢燃料储存形式（物态和压力）与运输方式。在氢燃料的普及开始阶段，每日加氢站的消耗量一般设计在50-100千克/每天，在成熟的市场中，每日的加氢规模能够达到2000kg。

　　加氢站发展历史及现状

　　世界上最早的加氢站站可以追溯到上世界八十年代美国Los Alamos，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。1999年，德国慕尼黑开放了第一个公共加氢站，作为慕尼黑“ARGEMUC”联合项目的一部分。之后许多国家和企业都对氢能技术给予高度重视，成立了各种国际性和地区性的组织，如国际氢能经济合作组织（IPHE）、加州燃料电池合作组织（CaFCP）、日本氢能&燃料电池实证示范工程（JHFC）、欧洲清洁城市运输计划（CUTE）等。这些组织及一些单独民间力量在各地建立了许多加氢站，大大推进了加氢站的发展，越来越多的加氢站也逐渐建成。

　　2018年，氢能的发展则更加迅猛，不断有加氢站建成。截止到2018年年底，日本加氢站达到100座以上，德国加氢站数量达到69座，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。下图展示了全球加氢站分布地图，其中灰色及绿色表示已建成，黄色表示在建：

全球加氢站分布地图（数据日期：19.12.2018；数据来源：Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH）

　　相比之下，我国氢能产业仍处于初期阶段，相比欧美和日本，加氢站的建设也相对缓慢，究其原因，

　　一方面，氢能需求不足，导致加氢站投入平均成本过高、难以大规模铺设；

　　另一方面，国内加氢站成本过高，建设及运营经验不足以及顶层设计不足，加氢站建设运营管理制度体系缺位，加氢站建设运营等行政审批程序不畅通等多方面的因素，又使得我国加氢站推广缓慢。这又使得氢能发展严重的受阻，形成了一个恶性循环。

　　据统计，我国目前已运行的加氢站数量是16座，33座在规划建设中，计划在2020年前达到100座。更多关于加氢站统计分析，相关优质文章已经很多，笔者不再累述。然而，我们在讨论加氢站的重要性同时，除了分析市场和发展趋势以外，还需要解决加氢站的真正问题：设计与成本。

　　加氢站设计

　　对于加氢站的设计，首先要考虑的是两个问题：供给和需求。

　　需求主要决定了，加氢站的大小和选址。一般来说，对于氢气需求量较小的情况，因所需压缩机较小，可选择移动式加氢站，用压缩机或增压泵直接将氢气升压，加注到燃料电池车辆，这样还能使得加氢站脱离地理位置的限制。在氢气需求量大的情况下，移动式加氢站的成本，就相对较高了，一般都会选择固定式加氢站，其主要结构除了中低压储氢罐、压缩机、加注设备之外还有高压串级储氢系统。

　　·氢气的供给影响了加氢站的设计，之前在多个地方都讨论过氢气的储存运输配套问题，目前有两种通行的解决方法：

　　·在加氢站设置小规模裂解氢气制造设备

　　大规模中心氢气裂解制造设备，另加运输物流系统。

　　针对以上内外两种供给方式，第一类氢气来源，我们称为站内制氢加氢站；第二类氢气来源，称为外供氢加氢站。目前，全球各地加氢站均主要为外供氢加氢站。而外供氢加氢站的设计根据氢气运输方式的不同而不同。

　　说到运输方式，目前在氢燃料的运输过程中有三种主流方案：

　　·液态氢燃料拖车运输

　　·气态氢燃料拖车运输

　　·气态氢燃料管道运输。

　　此外还有一种比较有前景的运输方式，有机液体氢载体运输（LOHC），又称氢油运输，但因其目前运输成本、脱氢设备成本高及耗能高，暂时很少作为加氢站供氢方式。

　　加氢站设计除了与运输方式有关，根据注氢压力等级的不同，设计理念也会有所不同。目前国际上比较主流的有以下三种加氢设计理念：

　　1.串级高压注氢设计

　　2.增压压缩注氢设计

　　3.低温液态泵注氢设计

　　这三种加氢设计的共同之处在于，都是用了串级高压储氢系统。通常，串级高压储氢系统都是有多个高压储气瓶组成，这些储氢瓶的储气压力分为两到三个不同压力等级。对于一个加注能力为70MPa的加氢站，三个等级可以分别是：900bar、650bar和400bar。采用串级高压储氢系统的好处是：

　　一方面这个系统可以作为缓冲系统，使得在非高峰期的时候，压缩机也能运作，将高压氢气储存起来。这样一来，就能减少压缩机的闲置时间，同时也能大大减小压缩机在高峰时段需要的峰值功率，从而降低压缩机的成本。

　　另一方面，采用串级储氢系统，能够减少压缩机能耗，相比将氢气全部加压至最高压力，将氢气压缩至不同等级，其节能效果可想而知。

　　最后，串级也能便于控制加氢速率。给燃料电池汽车注氢时，通常从最低压的储气瓶开始注氢，当车内储气罐压力达到设定值的时候，自动切换到中级压力储气瓶，同理，最后切换到最高压力储气瓶，直到达到标准压力。这种注氢方式，能够使得储气瓶和车内储气罐的压力差始终保持在一个较小值，使得加氢速率维持在一定范围内，防止温度迅速上升，同时也能减小冷却系统的成本。

　　虽然三种加氢设计的都采用了串级高压储氢系统，但是根据加氢站的氢气来源、应用场景的不同，其设计会有些许不同。

　　1. 串级高压注氢设计

串级高压注氢设计

　　这种注氢设计是目前国际上应用的最为广泛的一加氢设计，适用于气态氢气运输方式或就地制氢。无论是采用管道运输还是就地制氢，通常都会采用一个或多个大容量的中低压储氢罐，事前将足够的氢气储存起来，来保障当天或多天的需求；当采用长管拖车的运输方式的时候，通常可以将长管拖车直接当做储氢罐。压缩机给高压储氢罐供氢过程与汽车注氢过程相反，通常按压力等级由高到低的顺序供氢，这样能够保证高压储氢系统的储气量始终较足。

　　这种注氢设计的优点是，能够大大降低压缩机成本，增加压缩机使用率，方便控制注氢速率，而且设计相对简洁。缺点是，高压储氢系统对控制系统要求较高，成本也相对比较昂贵，因此应适当控制高压储氢系统容量和压缩机功率的平衡。最重要的是，当加氢站设计注氢压力较高的时候，安全系数较低，对技术要求极为严格，目前能生产能够耐受1000bar压力的储氢罐的生产商较少，且价格昂贵。

　　2. 增压压缩注氢设计

增压压缩注氢设计

　　对于注氢压力要求较高（如最高注氢能力为1000bar）的加氢站，通常可以降低串级高压系统的压力等级，在系统之后添加一个较小的增压压缩机（Booster compressor）。这种设计对主压缩机及串级储氢罐的要求相对较低，能够大大减少相应设备的成本，然而需要新增增压压缩机，且对其性能要求要高，价格也相对较高，总体来说，这种设计的总成本相对串级高压注氢设计较高，仅在高压储氢罐安全系数较低及成本较高的情况，稍有优势。

　　3. 低温液态泵注氢设计

　　当采用氢气低温液态方式运输时，注氢过程可以采用低温液态泵来代替多级压缩机，直接将低温液态氢升压至所需压力，再通过蒸发器，将液氢汽化，注入串级高压储氢罐；这种设计的优点很多；

　　·一方面，低温液态泵价格相对压缩机较低，前期投入成本较低；

　　·另一方面，液态升压过程相对气态加压过程所需的电量要少很多，能够降低运营成本；

　　此外，这种设计由于始终保持较低温度，注氢时不用担心温度过高，可以避免冷却设备的投入成本和运营成本。

低温液态泵注氢设计

　　然而这种设计需要保证氢气始终处于低温液态，对液态储氢罐的保温效果要求较高，一般来说即便在保温效果非常好的情况下，每天也会有大概0,5%质量的氢气气化，而气化的氢气会导致罐内压力升高，需要采用一定措施，将气化氢气导出，避免低温储氢罐压力过大。

　　加氢站成本及优化潜力

　　现阶段加氢站建设最大的阻碍就是成本问题，目前我国一个日加氢能力为200kg的加氢站成本约为600-800万元，欧洲同等量级的加氢站所需成本较国内稍贵，约800-1000万元。对于一个日加氢量为200kg的串级高压储氢加氢站，其成本分布如下：

200kg日加氢能力加氢站成本分布（来源：模型计算）

　　从图表中可以看出，不考虑为其他成本的23%，占据加氢站成本最大一块比重的是压缩机，其次是储氢设备，其中低压日储氢罐占13%，串级高压储氢罐占6%；冷却设备的投入成本也比较高。要想降低压缩机投入成本，首先应该从压缩机入手。和前面提到的一样，要想降低压缩机成本，得考虑降低压缩机大小，而压缩机的大小，和高压储氢罐的容量密切相关；高压储氢罐容量越大，所需要的压缩机额定流量就越小；反之亦然。然而，高压储氢罐的成本随容量增加也会增加，因此，不是压缩机越小就越好，最好的办法是找到一个两者之间的平衡，以达到成本最优化。下图给出了，200kg加氢站的模拟压缩机额定流量变化，压缩机成本及对应容量高压储氢罐的成本变化。从图中可以看出来，压缩机对应额定流量大约为15kg/h的时候，两者成本之和最低；压缩机再小下去，成本反而会回升。

200kg日加氢能力加氢站压缩机及高压储氢罐价格（来源：模型计算，单价数据采用H2A项目价格估算 ）

　　对于采用低温液态氢作来源的加氢站，避免了冷却设备的投入以及压缩机的投入，成本大大降低，对于一个日加氢量为200kg的液态储氢加氢站，其成本可达500万元以下。

　　除了前期投入成本，影响加氢站使用地还有其运营成本。加氢站运营成本主要和加氢站的加氢能耗有关。能耗主要来源于增压设备和冷却设备的能耗。增压设备能耗主要和设备效率、增压等级相关联，因此高压储氢设计和增压压缩设计，两种加氢站加氢能耗相当；而低温液态加氢，采用液态增压，需要做功较少，能耗较低；而且不需要冷却装置，因此运营成本远小于气态储氢加氢站。

200kg日加氢能力加氢站能耗（来源：模型计算）

　　从上面的分析来看无论是从前期投入还是从运营成本角度来说，液态加氢站的成本都要低很多，因此整体看来，液态加氢站加氢成本比气态加氢站要少不少。然而，加氢站的建设应该考虑多方面因素以及上游氢气成本。当制氢地点与加氢站距离较近时，氢气液化及液态氢气运输所需成本较高，从而会导致氢气整体价格偏高，液态加氢站不是在任何时候都是最佳选择。因此，在设计加氢时应该因地制宜，选择最合适的设计流程。