1、背景介紹

為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，交通運(yùn)輸領(lǐng)域的能源生產(chǎn)和使用需要發(fā)生重大改變。氫能是為數(shù)不多的有可能以零碳排放量供應(yīng)世界上大部分的運(yùn)輸能源需求的能源載體之一，因此受到了廣泛的關(guān)注。隨著燃料電池汽車和可再生能源發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，一些國家已經(jīng)開始了氫能的早期市場開發(fā)。然而，部署可持續(xù)的加氫基礎(chǔ)設(shè)施面臨著方法層面和應(yīng)用層面的挑戰(zhàn)，具體包括需要制定合理的規(guī)范以及實(shí)現(xiàn)加氫網(wǎng)絡(luò)和不斷增長的氫燃料電池車輛之間的協(xié)同發(fā)展等。

本文針對加氫基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計、規(guī)劃和部署方面面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了綜述，首先綜述了可持續(xù)制氫的技術(shù)方案以及利用可再生能源和其他低碳能源發(fā)電與利用氫氣為車輛提供動力之間的潛在協(xié)同效應(yīng)。其次，本文討論了從制氫廠到加氫站輸送氫氣的不同方案以及加氫站設(shè)計和成本問題，并論述了如何有效地確定加氫站的位置、規(guī)模和部署時間。之后，本文討論了氫燃料汽車和加氫站協(xié)同發(fā)展過程中所面臨的經(jīng)濟(jì)和政策挑戰(zhàn)，以及如何應(yīng)對技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)和市場發(fā)展方面的不確定性。最后，本文綜述了全球氫能汽車和基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)展和現(xiàn)狀，并對未來發(fā)展前景、潛在效益、研究需求和必要的政策支持進(jìn)行了展望。

2.、系統(tǒng)集成

氫氣的生產(chǎn)和輸運(yùn)方法對加氫站的設(shè)計、規(guī)模和成本以及交通運(yùn)輸中所使用氫氣的環(huán)境效益具有重要影響。氫氣供應(yīng)路徑如圖1所示。氫氣可以從化石能源、可再生能源和核能源中產(chǎn)生，以壓縮氣體或低溫液體的形式儲存，并通過長管拖車或管道輸送給用戶。此外，氫氣還可以轉(zhuǎn)化成其他常用的能源載體，如電、甲烷或液體燃料。這一過程會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換成本和效率損失，但可以使氫能進(jìn)入現(xiàn)有的能源分配網(wǎng)絡(luò)，而不必另外建立龐大的氫氣分配系統(tǒng)。

圖1 氫氣的生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸和終端使用的路徑

氫能的供應(yīng)途徑主要分為“集中式”和“分布式”兩種，前者是指大規(guī)模生產(chǎn)氫氣并通過長管拖車或管道分配給用戶，后者是指在終端使用場所生產(chǎn)氫氣，通常是通過小規(guī)模電解水制氫或蒸汽甲烷重整制氫（SMR）。選擇最佳的氫氣供應(yīng)途徑取決于需求的規(guī)模、位置和類型、區(qū)域主要制氫資源的相對成本、技術(shù)發(fā)展以及政策等。氫能供應(yīng)鏈主要包括三個部分：生產(chǎn)、運(yùn)輸和加氫站。

目前，化石燃料的大規(guī)模集中熱化學(xué)轉(zhuǎn)化（通過天然氣SMR或煤氣化）是制造氫氣的成本最低的方法，這種方法的單位功率成本（$/kW）和平準(zhǔn)化制氫成本（$/kg）都是最低的。在化石能源制氫廠中增加碳捕獲和儲存（CCS）技術(shù)可以減少高達(dá)90%的溫室氣體排放，但同時也會增加25-50%的平準(zhǔn)化制氫成本。與具有CCS的化石能源制氫相比，可再生生物質(zhì)氣化制氫具有更高的成本。另外，小規(guī)模分布式制氫比大規(guī)模集中生產(chǎn)成本更高，但可以削減氫氣輸運(yùn)過程的額外成本。如今，在可以獲得低成本水電的區(qū)域，大規(guī)模電解水制氫已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。但在短期內(nèi)，可再生能源電解水制氫成本依然較高，電解水制氫需要在低電價和高電解槽容量配置的情況下才能與具有CCS的蒸汽甲烷重整制氫競爭。然而，在使用可再生能源時，很難實(shí)現(xiàn)低電力成本和高容量配置。但有研究表明，到2030-2050年，具有CCS的SMR的制氫成本沒有明顯變化，而可再生電解制氫的成本會顯著降低。

對于氫氣的運(yùn)輸過程，其運(yùn)輸成本主要取決于所運(yùn)輸?shù)臍錃饬俊⑦\(yùn)輸距離、儲存方法（壓縮氣體或低溫液體）以及運(yùn)輸方式（長管拖車與管道）。圖2展示了氫氣運(yùn)輸?shù)某杀?，其是所運(yùn)輸氫氣量和運(yùn)輸距離的函數(shù)。圖中氫氣供應(yīng)量為0.1-100噸/天，運(yùn)輸距離范圍為10-500km。標(biāo)簽“G”表示采用壓縮氣體運(yùn)輸車運(yùn)輸成本最低的情況，“L”表示采用液氫運(yùn)輸車運(yùn)輸成本最低的情況，“P”則表示氫氣管道成本最低的情況?？梢钥闯?，氫氣運(yùn)輸成本對規(guī)模較為敏感，單位質(zhì)量的運(yùn)輸成本隨產(chǎn)氫量的增加而降低，且隨距離的延長而增加。

圖2 最低氫氣運(yùn)輸成本隨運(yùn)輸量和運(yùn)輸距離的變化情況

對于加氫站技術(shù)和成本問題，壓縮機(jī)、儲氫裝置和站內(nèi)制氫系統(tǒng)（如小型電解槽）是加氫站成本的主要來源。而通過擴(kuò)大加氫站的規(guī)模，進(jìn)行壓縮機(jī)、儲罐和電解槽等關(guān)鍵部件的大規(guī)模生產(chǎn)和工藝開發(fā)以及提高加氫站的利用率則可以大幅降低加氫站的成本。圖3展示了加氫站的單位成本（＄/kg·day）與加氫站容量和時間的關(guān)系。加氫站具有很強(qiáng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性，隨著加氫站規(guī)模的增大和時間的推移，單位成本會逐漸降低。

圖3 加氫站單位成本與加氫站容量以及時間的關(guān)系

3、 加氫站規(guī)劃

加氫站（HRS）規(guī)劃包括技術(shù)類型、數(shù)量、位置和規(guī)模（以及由此產(chǎn)生的利用率）的決策，這些加氫站將用于滿足給定區(qū)域內(nèi)燃料電池車輛不斷增長的氫氣需求。加氫站規(guī)劃的目標(biāo)是使給定約束下的預(yù)期系統(tǒng)成本最小，并為加氫站的部署建造提供指導(dǎo)。圖4展示了加氫站規(guī)劃的具體流程，加氫站的規(guī)劃必須同時考慮供應(yīng)（例如加氫站技術(shù)性能和成本）和需求（例如加氫需求的地點(diǎn)和頻率）。過度建設(shè)會導(dǎo)致加氫站成本過高，從而使氫氣價格超過可接受的范圍。而建設(shè)不足可能會導(dǎo)致加氫不便，這將抑制購買燃料電池車輛的需求。在規(guī)劃落地的過程中，系統(tǒng)成本有可能與預(yù)期有所不同。另外，規(guī)劃時必須考慮需要遵守的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能盡量避免意外延誤或額外成本的產(chǎn)生。部署建造多少加氫站以及在何處建設(shè)加氫站是加氫站規(guī)劃的核心問題。加氫站選址優(yōu)化最基本的方法是p-中值模型，即將其作為整數(shù)線性規(guī)劃問題求解，p-中值模型已被應(yīng)用于使加氫需求點(diǎn)到最近加氫站的加權(quán)平均距離最小化的問題。加權(quán)平均距離越小，氫燃料電池車的駕駛員就越容易到達(dá)加氫站。

圖4 加氫站規(guī)劃框架圖（過程用實(shí)線矩形表示，結(jié)果用橢圓形表示，數(shù)據(jù)用虛線矩形表示）

在完成加氫站的規(guī)劃之后需要對其進(jìn)行部署，而每個加氫站的建設(shè)和運(yùn)營都需要獲得具有管轄權(quán)的各部門的批準(zhǔn)。為了減少許可過程的時間和成本，需要為加氫站制定相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

4、加氫站和燃料電池車輛的協(xié)同發(fā)展

如何更好地協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和燃料電池汽車的生產(chǎn)銷售對于成功過渡到氫能社會至關(guān)重要。由于過渡過程的復(fù)雜性和不確定性，迄今為止還沒有開發(fā)出全面的氫能過渡模型來從根本上解決燃料電池汽車、加氫基礎(chǔ)設(shè)施以及氫氣生產(chǎn)和傳輸過程中的需求和供應(yīng)問題。但已有的研究表明，向自給自足的燃料電池車輛和加氫基礎(chǔ)設(shè)施市場過渡將至少需要10多年。在過渡初期，燃料電池車輛和加氫站都需要得到補(bǔ)貼以確保燃料電池車和終端氫氣的價格不至于過高，從而為市場的發(fā)展創(chuàng)造動力，此外還需要相當(dāng)于目前加油站數(shù)量15-20%的加氫站。但在早期市場中，如果將加氫站集中布置于可盈利的市場中，則可以使市場在少得多的加氫站數(shù)量下得到增長，從而促進(jìn)局部地區(qū)加氫站和燃料電池車輛的協(xié)同發(fā)展。

5、全球加氫站的現(xiàn)狀與規(guī)劃

近年來，世界上加氫站的數(shù)量正在快速增長，并且?guī)缀跛械募託湔窘ㄔO(shè)都得到了政府大約50%的成本補(bǔ)貼。大多數(shù)加氫站都是以70MPa或35MPa加注氫氣的。乘用車車載儲氫的國際標(biāo)準(zhǔn)是70MPa，而商用車的儲氫壓力通常設(shè)計為35MPa。現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，大約15.5%的站點(diǎn)僅以35 MPa供氫，71.1%的站點(diǎn)僅以70 MPa供應(yīng)，而13.4%的站點(diǎn)可在兩種壓力下向車輛加注氫氣。圖5顯示了世界上不同國家按加氫站狀態(tài)（公共和私人、在用和計劃）劃分的加氫站分布情況。大約五分之四的加氫站是對公眾開放的，其他加氫站主要供公交公司使用或受到其他使用條件限制。

圖5 不同國家的加氫站分布情況

6、總結(jié)與展望

氫燃料電池車輛技術(shù)得到了快速發(fā)展，但氫能供應(yīng)系統(tǒng)還遠(yuǎn)不如電網(wǎng)那么發(fā)達(dá)。氫能基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展是成功推行燃料電池車輛的關(guān)鍵先決條件，這需要政府、行業(yè)和投資者進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃和協(xié)調(diào)。世界各地正在努力建立區(qū)域級和國家級的加氫網(wǎng)絡(luò)以支持燃料電池汽車市場的發(fā)展。目前約有30000輛燃料電池車在路上行駛，大約有400個加氫站提供支持。計劃到2030年將有200萬至500萬輛燃料電池車以及數(shù)千個加氫站。在10年或15年的過渡期內(nèi)，擴(kuò)大氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的規(guī)?？赡苁箽淠芫哂谐杀靖偁幜Α?/span>從長遠(yuǎn)來看，隨著可再生能源發(fā)電和電解水制氫技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模的擴(kuò)大，可再生能源制氫將成為一種具有競爭力的清潔運(yùn)輸燃料。

對于運(yùn)輸領(lǐng)域氫能供應(yīng)系統(tǒng)的研究包括了低碳制氫的開發(fā)、氫氣儲存、輸送和加氫的關(guān)鍵部件技術(shù)。在對氫能和氫燃料電池車輛過渡階段的仿真預(yù)測方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但還需要進(jìn)一步的分析工具將消費(fèi)者的選擇和行為結(jié)合起來。為了更好地理解氫氣如何用于未來的低碳能源系統(tǒng)，包括如何與電網(wǎng)和天然氣管道系統(tǒng)的整合，這仍然需要進(jìn)行相關(guān)的研究。