氫能源替代石油能源產業的可能性探討

文 _ 沈軍 玉溪能投佳亨燃氣產業有限公司

1從石油與汽車產業的結合點找出“替代”關鍵點

2017年我國燃油汽車保有量為21743萬輛（包括三輪汽車和低速貨車820萬輛），比上年末增長11.8%（國家統計局公布數據）。與其配套的加油站，截至2015年底全國共有9.68萬座，其中，中石化網點3.06萬座；中石油網點2.07萬座，中海油和民營加油站合計4.55萬座。粗略估計一座加油站對應服務2100輛左右的燃油汽車。

數以百計的汽車制造廠家（含進口）生產與銷售的各種各樣的燃油汽車達上億的規模，銷售給上億家客戶，而配套的只有一種加油站產品，由少數石油公司控制著終端加油站網絡。

與石油能源產業同樣的道理：氫能源與燃料電池汽車的結合點是氫能源下游終端加氫站網絡，對燃料電池汽車上儲氫瓶（現在是壓縮氫儲氫瓶、未來是液態氫儲氫瓶）加滿氫氣。

未來氫能源替代石油能源，就必須是氫燃料電池汽車替代燃油汽車，加氫站替代加油站。當前，豐田、本田、日產、寶馬、奔馳、現代等世界著名廠家已經能批量生產氫燃料電池汽車，關鍵點在于加氫站能否替代加油站。

我們看出能源與汽車的結合點是加油站、加氫站，也就是連接能源與汽車全產業鏈的關鍵點，加氫站技術上“一點突破”，會使氫能源與燃料電池汽車兩大產業“全面開花”。

隨著世界各國禁止燃油汽車上路時間表的推出，要求氫能源替代石油能源的速度愈來愈快，未來的加氫站將替代全球數以百萬個加油站，誰有加氫站這項專利技術，并在世界各地推廣開來，誰就能“獨占”氫能源和燃料電池汽車（含分布式能源）市場。

2 傳統加氫站技術簡介

2.1 站內制氫供氫加氫站技術

來源于天然氣管網常規加氣站原理，即加氫站內有制氫設備（如天然氣重整制氫）生產氫氣（相當于天然氣管道輸送來的氣源）和加氣站設備的組合。

工藝流程：產生氫氣的原料（天然氣）→站內制氫設備產生的氫氣→經壓縮機加壓→到站內儲氣瓶組→加氫機→對氫燃料電池汽車加氫氣。

北京2008奧運會的加氫站，屬于站內制氫供氫加氫站類型，占地4000m2，制氫原料是管網內的天然氣，站內制氫技術要求比較高，制氫和加氫兩種設備組合占地面積大。

2.2 外供氫加氫站技術

來源于天然氣母站和子站原理，即從外面制氫工廠（相當于天然氣母站提供氣源）經加氫站（子站）二次加壓完成對外加氣。

工藝流程：從外面制氫工廠運來的氫氣→卸氣→壓縮設備二次加壓→到站內儲氣瓶組→加氫機→對氫燃料電池汽車加氫氣；

上海安亭加氫站，屬于外供氫加氫站，用儲氫瓶拖車運來的氫氣在加氫站需要二次加壓，壓縮設備和站內儲氣瓶組占地面積較大，技術操作要求比較高。

2.3 推廣難點

現在的兩種加氫站技術至今已十幾年，事實證明要替代加油站陣字庫是一件非常困難的事。其主要原因是：和加油站相比所涉及的設備多、操作復雜，工藝步驟和規格不統一，無法像加油站那樣簡單、易操作可以大規模復制；這就需要創新研發出最新的第三種加氫站技術，可以實現標準化大規模復制的要求。

3 最新的“多氣瓶交替循環”加氫站技術

未來氫能源應是壓縮氫（氣態）和液態氫兩種物理狀態，在外供氫加氫站技術基礎上，引入加油站技術路線，把二者相結合再次創新，開發出第三種加氫站技術即“多氣瓶交替循環”加氣技術。

采用“多氣瓶交替循環”的加氫站是由儲氫瓶拖車（車上儲氫瓶分成多個氣瓶）和加氫機組成。儲氫瓶拖車在加氫站和制氫廠之間循環運輸與供氣，就如同油罐運油車在煉油工廠（油庫）和加油站之間循環運輸與供油一樣。其工作原理是：依靠儲氫瓶（拖車上的）內的壓縮氫氣自身壓力，通過加氫機計量智能化無需任何外部設備，獨自完成對燃料電池汽車上“小”的儲氫瓶，加滿額定工作壓力的氫氣，可以不再需要任何動力設備做功對其進行二次加壓，節省了設備投入和工藝步驟。

此加氫站技術來源于“外供氫+氫站+油站”技術，沒有類似加油站的油泵、地下油罐設備和油泵做功卸車、加油等工藝步驟。只有類似加油站的油罐運油車和加油機即儲氫瓶拖車和加氫機。

“多氣瓶交替循環”加氫站技術，如用87.5MPa左右的儲氫瓶（已國產化）拖車在制氫廠和加氫站之間往返運輸為加氫站提供氣源，可以分別加滿儲氫瓶額定工作壓力是35MPa、70MPa的燃料電池汽車。

“多氣瓶交替循環”第三種加氫站技術屬國家發明專利，可以對應幾十臺加氫機同時對外加氣，解決了加氫速度和加氫量的問題，加氫站服務燃料電池汽車的數量超過加油站服務燃油車的數量，達到了“快速”要求；對燃料電池汽車上的儲氫瓶加滿氫氣，其實質就是快速儲存氫氣即儲能。

4 推廣優勢

無論是何種資源或何種方式制造出的氫，都能與加氫站銜接成儲運加氫站網絡。如同石油能源終端加油站一樣，將來全球各地的加氫站到處都是和加油站一樣的工藝流程，人們容易接受這樣的加氫站。

4.1 對接化石能源

目前，國家能源投資集團已具備能供應4000萬輛燃料電池乘用車的制氫能力，年產超過400萬噸氫氣排名世界第一。作為國家進入“氫能社會”的主力軍，國家能源投資集團牽頭成立了中國氫能源及燃料電池產業創新戰略聯盟。這些有實力的集團基本采用壓縮氫和液態氫兩種生產方式，采用第三種加氫站技術建立氫能供應鏈，適合各種遠近距離運輸。其工藝流程是：

（1）煤炭制氫→儲氫瓶拖車→加氫機→燃料電池汽車儲氫瓶（近距離方案）。

（2）煤炭制氫液化→低溫儲罐拖車→城市周圍氣化成壓縮氫氣→儲氫瓶拖車→加氫機→燃料電池汽車儲氫瓶（遠距離方案）。

4.2 對接新能源與可再生能源

與新能源與可再生能源制氫產業和燃料電池汽車產業對接，形成一個循環儲能可以整合國內太陽能、風能、水電、核能等優質資源。工藝流程如下：

再生能源發電→輸送電網→PEM電解水制氫→壓縮機（相當于四種設備構成的制氫廠）→儲氫瓶拖車→加氫機→燃料電池汽車儲氫瓶。

具體就是可以在每個城市周圍建立新能源與可再生能源制氫廠，為城內多個加氫站提供氫氣。上游制氫和下游終端加氫站（包含燃料電池汽車）可以模塊化增加，使得制氫量和氫氣消耗量隨時相互匹配。

4.3 氫能源價格

國家能源投資集團煤制氫成本是天然氣制氫70%～80%，是重油或石腦油制氫成本的60%～70%，具有價格優勢。

目前光伏發電、風能發電電價約0.45元/kWh，整體加氫站設備折舊按0.5元/m3，按照4kWh電可生產1m3氫氣，11m3氫氣價格為41.8元/kg。1kg氫氣可以讓燃料電池汽車行駛100km，每公里費用為0.418元。

4.4 可復制性

采用新能源與可再生能源制氫，可以不再依靠化石能源，就地取材、就地生產、就地銷售。在世界各地均可安裝、生產與銷售氫氣能源和代理銷售燃料電池汽車，并建立“互聯網+加氫站”平臺，在互聯網上預約銷售燃料電池汽車產品。如同當今的石油能源加油站終端一樣，石油公司目前的盈利模式也是加氫站的運營模式。

5 結束語

“多氣瓶交替循環”加氫站技術與氫燃料電池汽車一起構成氫能產業鏈，從能源與汽車的結合點中找到了替代加油站的關鍵點。并新能源與再生能源相結合，整合制氫、輸送電網、電解水制氫機、壓縮機、燃料電池汽車等相關產品，具有節能、環保和低價等優勢，可逐步替代石油等傳統能源，并具有很良好的市場前景。