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摘要:首先结合文献定性介绍了现有氢气运输方式,然后对氢气通过长管拖车、槽车及管道运输的运输成本、能源消耗及安全性进行深入研究。运输成本通过建立加氢站氢气运输成本模型进行分析,」,」,管道运输成本为6元加%氢气液化能耗占自身低热值30%以上,约为压缩能耗的3倍左右,但气态氢气运输能耗高于液氢运输能耗。运输中即使存在如高压、液氢蒸发以及氢脆等安全风险,但都可通过设计、规范等措施避免。根据分析结果,对于上海近期千辆级规模燃料电池汽车的发展计划,长管拖车输送氢气是最佳方案。
为促进燃料电池汽车的发展,上海必须建立与之发展相适合的氢基础设施(加氢站)。加氢站按制氢地点可分为夕卜供氢加氢站和站内制氢加氢站,而对于外供氢加氢站,氢气的运输是重要的一环。氢气的运输方式是多样的,且每种运输方式的应用场合、成熟程度、使用成本等都不相同,所以需要进行比较,根据实际情况研究合理的运输方式,以有效促进上海氢基础设施的发展。
1氢气运输方式
按照输送时氢气所处状态的不同,氢气的运输方式可分为:气态氢气(GH2)输送、液态氢气(LH2)输送和固态氢气(SH2)输送。前两者将氢气加压或液化后再利用交通工具运输,是当前加氢站正在使用的方式。固态氢气输送通过金属氢化物进行输送,迄今尚未有固态氢气输送方式,但随着固氢技术的突破,这种方便的输配方式预期可得
到使用。
氢气通常经加压至一定压力后,然后利用集装格、长管拖车和管道等工具输送。集装格由多个水容积为40L的高压氢气钢瓶组成,充装压力通常为15MPao集装格运输灵活,对于需求量较小的用户,这是非常理想的运输方式。
长管拖车由车头和拖车组成。长管拖车到达加氢站后,车头和管束拖车可分离,所以管束也可用作辅助储氢容器。,长约10m的钢瓶组成,其设计工作压力为20MPa,约可充装氢气3500标准m,管束内氢气^用率与压缩机的吸人压力有关,大约为75%〜85%。长管拖车运输技术成熟,规范完善,所以国外较多加氢站都采用长管拖车运输氢气,上海较大规模商品氢运输即采用长管拖车运输。
氢气也可通过管道输送至加氢站。美国、加拿大及欧洲多个工业地区都有氢气管道,~,压力范围为1~3MPa,流量在310~8900kgh-i之间。当前氢气管道总长度已经超过16000km。管道的投资成本很高,与管道的直径和长度有关,比天然气管道的成本高50%~80%,其中大多数成本都用于寻找合适的路线。当前氢气管道主要用于输送化工厂的氢气。
・m-3,-L'1,。所以将氢气深冷至21K液化后,再利用槽罐车或者管道运输可大大提高运输效率。槽罐车的容量大约为65m3,每次可净运输约4000kg氢气。
国外加氢站采用槽车液氢运输的方式要略多于气态氢气的运输方式。液氢管道都采用真空夹套绝热,由内外两个等截面同心套管组成,两个套管之间抽成高度的真空。除了槽罐车和管道,液氢还能够利用铁路和轮船进行长距离或跨洲际输送。深冷铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大输氢量又是比较快速、经济的运氢方法。这种铁路槽车常用水平放置的圆筒形杜瓦槽罐,其储存液氢的容量可达到100m3,特殊大容量的铁路槽车甚至能够运输120~200m3的液氢。当前仅有非常少量的氢气采用铁路运输。
表1定性地匕匕较了上述几种方式的适用场合、运输量、技术成熟程度、应用情况及其优缺点。
表1気/运输方式比el,M,
)drof^ntransportationmethods
应用情况
优駛点
集&格(㈤)
5-10kg-
广泛用于曲品狙运墙.
小.
K債拖车(3U
250~460kr
广泛用于商品氧送箱.
,离逐输
ftiKGH,)
310-8900Mk'
主安用于化工厂,未普及・
一次性投資成本运♦效率高
*车倾)
360-4300kg-$'*
.
,设备妥求高
ftKLH.)
国外较少,国内没有.
化能死投资大.
2300~9100虹牟'
国外奪甫少,【耳内没有.
运備!1大.
即使氢气运输方式众多,但从发展趋势来看,在今后相当长一段时期内加氢站氢气主要通过长管拖车、槽车和气氢管道进行运输。所以,本文对这三种运输方式进行了更为深入的研究。
2氢气运输成本分析
氢气的运输成本足选择氢气运输方式的重要指标。为了计算氢气的运输成本,本研究小组基于Excel开发了氢气运输成本模型,能计算长管拖车运输、液氢槽车运输和管道输送的成本。本模型的计算是从实际加氢站数量和加氢站大小出发,来计算所需长管拖车或液氢槽车的数量,从而确定固定设备投资。然后根据人工、能耗及其运行维护成本的输入,输出氢气的运输成本。
长管拖车和槽车运输成本模块建立的数学原理相差不大,都是利用每天需要运输次数和长管拖车或槽车每天可运输次数计算长管拖车和槽车的数量,然后再确定其他投资成本。而管道运输模块建立的关键是根据加氢站的流量计算管道的直径,它能够采用PanhandleB公式进行计算:
Ind=
IiiFr-ln(737E(河°2)
o3i+
In
PO96,LPtpz
式中,Fr为管道流量;Lp为管道长度;Tp为管道温度;R为管道入口压力;P。为管道岀口压力;P为氢气相对密度;Psc和T*为标况下的压力和温度;E为管道运输效率;Z为氢气压缩因子.
根据加氢站的数量及需求大小确定所需的长管拖车数量是建立本模块的关键。
在确定加氢站的数量及大小后,可得到氢气的年运输量为
Fa=365Sn9CF (2)
式中,孔为氢气年运输量;S为加氢站大小,-i;』为加氢站数量;CF
为容量系数,%.
长管拖车每个钢瓶可输送氢气量为
一Z2/ PmaxVc
% ?000\(Top+)3<(L00008205
E4 ) (3)
(+),为单个钢瓶输気量,屈;Pg为钢瓶最大运行压力,;Pgn为钢瓶最小压力,;V。为钢瓶水容积,n?;为管束运行温度,s
则长管拖车运输一趟可输送氢气量为
^td-wcd•nc (4)
式中,m记为长管拖车一次输飢量,.
根据年运输量及长管拖车每次运输量,可得到每年长管拖车需要运输的次数为
Ndy=Faf (5)
式中,.
则长管拖车的年耗油量为
Df=2Ndy・d-/c/100 (6)
式中,Df为长管拖车年耗油量,L;d为加氢站与気源
点距离,km;夷为卡车燃料经济性丄・(100km)
Naa=Ndy/365at (7)
式中,;丄为卡车年可使用率.%.
拖车运输一次所需要的来回时间为
(8)
亍2d
Td=—+£1+6
V
式中,Td为一次来回时间,为氢源点装载管束时间,h;tu为氢源点卸载管束时间,圮”为平均速度,.
由此能够计算出所需拖车的数量
E=[兰手]+1(注:口为高斯符号)(9)
式中,Nc为拖车数员“"为卡车运营时间,
5昌(1。),也即
(11)
式中,*为氏管拖车灌充気气的总时间,h.
那么所需要的管束数量等于拖车数量即可,即
MM (12)
式中,Nt为管束数量.
否则需要增加额外的管束使平均填充和运输时间缩短,总的管束数量为
%
N-=M+NwX24元+1 (13)
-n$Nc-
据此可计算出管束和拖车头的数量,从而确定设备投资及其他相关投资,如人工需求、拖车能耗等.
分别对加氢站数量为]个、4个、8个和16个共4种情况计算氢气运输成本。假设加氢站距离氢源点的距离均为50km,长管拖车运输压力为20MPao液氢槽车的容量为65m3,钢瓶总水容积为20m3,,-io卡车、槽车、管束和管道的寿命分另4为10年,10年,20年?口40年。
计算时采用的内部收益率IRR为10%,那么分析周期内每年应收回投资
与周期初期投资的比值,也即资本回复系数可按下式计算:
%
1-(1+IrR)7
(14)
式中,Crf为资本回复系数,IRR为内部收益率,N为分析年限.
一组大约3400标准m3容积的集装管束价格大约为120万元,车头的价
格大约为40万元,F15000加仑容量(约68m3)的液氢槽车价格大约为50
万美元。柴油的价格为42元L」,员工费用为6万元年1•人%
图1为氢气通过长管拖车运输的成本。能够看到,当加氢站数量少时,・kg」。随着加氢站数量的增加和加氢站规模的增大,成本逐渐降低。但是在加氢站数量较少时,成本在下降过程中出现波动,这与长管拖车利用效率有关,例如当加氢站规模750kg・d-i时,长管拖车处于高负荷工作状态,但当规模增加到900kgd-l时,因为需要增加管束,降低长管拖车总体负荷强度,利用率降低,所以运输成本上升。当加氢站网络的数量达到8个后,・kg-i。
图2是液氢的运输成本。可看到,随着加氢站数量和规模的增加,液氢的运输成本快速降低。・kg」,将近为长管拖车的1/6。
图3是氢气通过管道运输的运输成本,管道的运输距离也为50km。可看到,氢气的运输成本随每个加氢站规模的增加而迅速减少,但是三条曲线基本重叠,说明加氢站数量的增加并不减少氢气运输成本,其原因是增加加氢站需要另外铺设氢气管道,其昂贵的投资使氢气运输成本基本维持不变。当加氢站规模达到1500kg・cH时,氢气的运输成本大约为6元屈」。
单从运输方面的成本来看,三种运输方式中以液氢运输成本最低,管道运输最高。注意此液氢运输成本没有包含氢气液化及蒸发成本,氢气液化设备的投资非常巨大,一个日处理量为120t氢气的液化厂投资约为9千万美元。Syed等计算了规模为3xl04kg・h-i的氢气液化成本,」,若考虑到此,
—I个加飯站♦4个加岌站—8个加數L16个加其站
60090012001500
岫站大小/(5)
S2液集槽车运纖成本
6040200
71?•假》、1««图
54327$|«普挙却
9B1T編长曾抢车运筋成本
bytubetrailer
长管拖车运输氢气的成本在当前还是比较低的。
450750105013501
並故大小/(kg・<T)
冊3***賛道运輸成本
)drogcndeliverycost
b*P«l*lioe
因为长管拖车运输和槽车运输技术都非常成熟,通过技术进步降低设备成本不大可能。但是今后生产规模扩大后能降低部分成本。
3能耗分析
氢气首先经过压缩或液化后再进行运输,这些过程都需要消耗能量。Bossel等深入地上娥了压缩和液化的能耗以及氢气道路运输的能耗,可为氢气运输方式的选择提供参考。氢气的高热值为142MJkgi,如果将氢气压缩到20MPa,大约消耗能量14MJ-kgi,相当于氢气内能的10%左右。
液化能耗很高,具有明显的规模效益。当液化量很少时,液化能耗甚至高于氢气的
热值,当液化量达到lOOOkghi时,液化能耗仍超过40MJ-kgi,是低热值的30%以上。对于一般规模的液化厂,氢气液化能耗大约为压缩能耗的3倍。氢气压缩的部分能量在加氢站内还能够加以回收利用,比如利用长管拖车与储氢罐的压差为储氢罐自然充气。但是氢气液化的能量在固定储氢容器和液氢运输管网上无法利用,被白白浪费。
在运输距离为500km时,运输压力为20MPa的氢气消耗30%的车载能量,而运输液氢仅消耗4%左右的车载能量,所以,长距离宜采用液氢运输。
4氢气运输安全性
对于长管拖车,主要的危险特征是高压爆炸。美国的长管拖车根据DOT一3AA/3AAX压缩气体运输标准设计,;很多厂家生产的长管拖车还符合美国E-8009特殊标准,采取限定气瓶操作压力和限制钢种和控制杂质含量等措施,提高气瓶运输安全。从运输压力上来说,长管拖车运输压力一般不超过20MPa,且都装有卸压阀,充分保证运输的安全性。从法规
上说,上海危险气体运输法规规定在气温大于30°C时,仅能在夜间运输,这都降低了长管拖车运输的危险性。所以,即使长管拖车存在危险特征,但可通过合理方式降低风险。
对于液氢运输因为容器不能完全绝热和氢气自身的正氢/仲氢转化放热,液氢会不断蒸发,使容器内压力越来越高,形成危险特征。但是槽车系统上安装卸压阀,保证容器内压力不超过极限值。同时因为氢气良好的逃逸性,卸出的氢气在户外也不会构成任何危险。
对于管道运输一个很重要的安全问题是氢脆。如镐钢、镣钢以及其它高强度钢,若长期暴露在氢气中,尤其在高温高压下,其强度会大大降低,导致失效。但是铝和一些合成材料
,就不会发生氢脆,所以通过选择合适的材料,可降低因氢脆产生的安全风险。
5上海加氢站氢气运输方案的选择
到2010年加氢站的规模都较小。」,・kg-i,但考虑到氢气液化厂投资大,氢气液化消耗氢气热值30%以上,经济性较差,更重要的是上海还没有液氢工业基础,所以液氢运输不适合近期加氢站的发展。同样,因为氢气流量低,铺设管道投资大,所以综合比较来看,2010年前加氢站采用长管拖车运输氢气更符合实际。
当燃料电池汽车的数量逐渐增长到万辆级、十万辆级,每天的氢气消耗也逐渐增长到30t和300t,加氢站的数量达到上百座,部分站的规模也较大。若全部采用长管拖车运输,因为长管拖车过多造成调配困难,此时可考虑建立氢气液化示范厂,且液化厂已经具有规模经济性,采用液氢输送优势明显。另外还可考虑铺设管道为氢源点附近的加氢站网络输送氢气,对规模较小的加氢站仍可采用长管拖车运输。
6结论
单从运输方面的成本来看,三种运输方式中以液氢运输成本最低,管道运输最高。但若考虑到氢气的液化成本,采用长管拖车运输是当前较为经济的方案。氢气液化能耗达到自身低热值的30%,是压缩能耗的3倍。但在运输中液氢消耗能源小,长管拖车长距离运输能耗高,所以它不适合远距离运输。即使三种运输方式都存在安全隐患,但是当前的安全防护措施能保证气体安全运输。
在向千辆级燃料电池汽车规模发展过程中,加氢站通过租借长管拖车运输副产氢气是较为简便、经济的方式。当车辆达到万辆级规模时,氢气液化厂已