運(yùn)氫方式對(duì)成本、能耗和co

運(yùn)氫方式對(duì)成本、能耗和co

氫燃料在燃料生命周期中的使用具有一定的潛在優(yōu)勢(shì)，包括燃料生命周期中溫室氣體的排放、污染近零的使用、減少對(duì)石油資源的依賴、提高國(guó)家能源安全等。然而,氫燃料大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)的主要障礙之一是包括生產(chǎn)、運(yùn)輸和加注在內(nèi)的供氫基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏。就目前的技術(shù)發(fā)展程度而言,氫的交貨成本遠(yuǎn)大于等能量下的汽柴油成本,而氫的運(yùn)輸成本在交貨成本中占有很大份額。文對(duì)氫的運(yùn)輸成本進(jìn)行了計(jì)算,但由于不同文獻(xiàn)所基于的模型參數(shù)假設(shè)不同,導(dǎo)致這些計(jì)算結(jié)果存在較大的差異。為更加完整地分析氫能供應(yīng)鏈中運(yùn)氫環(huán)節(jié)的3E(經(jīng)濟(jì)、能耗和排放)特性,本文建立了運(yùn)氫環(huán)節(jié)的3E模型,并分析提取了影響運(yùn)氫性能的主要因素,設(shè)計(jì)了多種運(yùn)輸情景,通過(guò)分析運(yùn)氫環(huán)節(jié)3E特性在不同情景參數(shù)下的變化趨勢(shì),總結(jié)出每種運(yùn)氫方式的最優(yōu)適用條件。1運(yùn)氫方式與運(yùn)輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)氫的質(zhì)量能量密度很高,大約是汽油的3倍;但體積能量極低,常溫常壓下比汽油低4個(gè)數(shù)量級(jí)。這種物性使得氫的運(yùn)輸和儲(chǔ)存十分不便,比較現(xiàn)實(shí)的做法是在生產(chǎn)廠將制得的氫氣壓縮或液化后進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存,本文稱之為“運(yùn)輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)”。文中涉及的運(yùn)氫方式包括3種:氣氫拖車運(yùn)輸(tubetrailer,T)、氣氫管道運(yùn)輸(pipeline,P)和液氫罐車運(yùn)輸(liquidtruck,L)。為了更全面地分析各運(yùn)氫方式間的差別,本文將運(yùn)輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)也包含在運(yùn)氫環(huán)節(jié)的分析范圍內(nèi)。因此,氫能供應(yīng)鏈中運(yùn)氫環(huán)節(jié)的范圍定義為:包括集中制氫廠的運(yùn)輸準(zhǔn)備環(huán)節(jié)(氫氣壓縮/液化、儲(chǔ)存及加注)和車輛/管道運(yùn)輸過(guò)程所涉及的所有設(shè)備。1.1氣氫+液氫罐車運(yùn)輸方式氣氫拖車和氣氫管道運(yùn)輸方式需要配備氫氣壓縮和氣氫儲(chǔ)存設(shè)備,而液氫罐車運(yùn)輸方式需要配備氫氣液化和液氫儲(chǔ)存設(shè)備來(lái)滿足后續(xù)運(yùn)輸需要和連續(xù)供應(yīng)。此外,為實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)廠向運(yùn)輸設(shè)備輸氫,氣氫拖車和液氫罐車運(yùn)輸方式分別需要安裝氣氫加注器(gasdispenser)和液氫加注器(liquiddispenser);而管道運(yùn)輸方式則不需要配備加注設(shè)備。氫氣壓縮和液化過(guò)程都需要消耗相當(dāng)數(shù)量的電力。氫氣壓縮的電耗(從反應(yīng)器壓力提升到儲(chǔ)存壓力)大約在0.7～1.0kWh/kg之間,相當(dāng)于氫氣低熱值(120MJ/kg)的2%～3%;氫氣的液化是一個(gè)高能耗過(guò)程,包括一系列的壓縮、冷卻和膨脹過(guò)程,根據(jù)文的數(shù)據(jù),大規(guī)模氫氣液化的電耗為11kWh/kg,相當(dāng)于氫氣低熱值的33%。1.2高壓氫氣車載氣商業(yè)化的氣氫拖車系統(tǒng)由動(dòng)力車頭、整車拖盤(pán)和管狀儲(chǔ)存容器3部分組成,其中的管狀儲(chǔ)存容器通常由十幾根長(zhǎng)管形金屬容器焊接在一起組成,用于存放高壓氫氣。目前氣氫拖車的最高壓力達(dá)16.212MPa,因此單車載氫能力較小(300kg),未來(lái)更高壓力的儲(chǔ)存會(huì)提升載氫能力。氣氫拖車系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如下:空載氣氫拖車在集中制氫廠加氫到滿載,然后車輛行駛到加氫站,直接卸下車上的管狀儲(chǔ)存容器作為加氫站的儲(chǔ)存設(shè)備,同時(shí)拾起原本位于加氫站的“空載”管狀容器,運(yùn)回集中生產(chǎn)廠開(kāi)始新一輪的加載。1.3液氫罐車運(yùn)輸方式的單車載氫液氫罐車運(yùn)輸系統(tǒng)由動(dòng)力車頭、整車拖盤(pán)和液氫儲(chǔ)罐3部分組成,其中的液氫儲(chǔ)罐由特殊材料和工藝制成,以保證液氫儲(chǔ)存的密封和隔熱性能。液氫罐車運(yùn)輸方式的單車載氫能力達(dá)4t,是氣氫拖車單車運(yùn)量的10倍多,這意味著滿足相同氫運(yùn)輸需求時(shí),液氫罐車方式需要更少的運(yùn)輸來(lái)回次數(shù)和車輛數(shù)量,同時(shí)消耗更少的卡車燃料。液氫罐車運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行特性與氣氫拖車類似,不同點(diǎn)在于它不會(huì)卸下車載液氫儲(chǔ)罐作為加氫站儲(chǔ)存設(shè)備,而是直接釋放儲(chǔ)罐中的液氫,之后空載返回。1.4管道運(yùn)輸?shù)某杀練怏w的管道運(yùn)輸在目前商業(yè)中經(jīng)常用于大規(guī)模的氣體輸送,如我國(guó)天然氣的西氣東輸管道。由于氫氣自身的體積能量密度小和防止管材“氫脆”現(xiàn)象,氫氣管道運(yùn)輸?shù)某杀就笥谕芰苛髀氏绿烊粴夤艿肋\(yùn)輸?shù)某杀?。一般而?管道運(yùn)輸?shù)某杀局饕獊?lái)源于管道的初始建設(shè)投資,運(yùn)行成本比例很小,現(xiàn)實(shí)中根據(jù)運(yùn)輸距離的長(zhǎng)短和管道壓力的大小判斷是否中途安裝管道加壓設(shè)備。2點(diǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸模型本文采用一種相對(duì)簡(jiǎn)化的模擬方法,將運(yùn)輸情景抽象為“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”運(yùn)輸模型:即把集中制氫廠和氫需求地均看作一個(gè)點(diǎn),則從集中制氫廠到氫需求地之間是連接兩點(diǎn)的直線運(yùn)輸,并用兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征不同的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”運(yùn)輸情景:運(yùn)氫規(guī)模和運(yùn)輸距離。3年間資金流量法crf年際投資本文從成本、能耗和排放3個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)各運(yùn)氫方式的性能。文中選擇單位質(zhì)量氫的運(yùn)輸成本Ctotal來(lái)衡量經(jīng)濟(jì)性,計(jì)算時(shí)采用基于資本回收系數(shù)的方法,即:Ctotal=CcapηCRF+COMMannual.Ctotal=CcapηCRF+CΟΜΜannual.式中:Ccap為總投資費(fèi)用,包括設(shè)備建設(shè)投資、建設(shè)許可投資及啟動(dòng)資金、應(yīng)急費(fèi)用和營(yíng)運(yùn)資金及土地等投資,對(duì)Ccap的計(jì)算采用基于比例分析的方法,即首先確定各主要設(shè)備的總建設(shè)投資(包括采購(gòu)、工程及建設(shè)安裝),然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)比例(相對(duì)于主設(shè)備總建設(shè)投資)確定輔助設(shè)施、間接投資(包括工程費(fèi)、業(yè)主費(fèi)及應(yīng)急費(fèi)用等)、營(yíng)運(yùn)資本和啟動(dòng)資金等項(xiàng)目,之后各項(xiàng)加和得到總投資費(fèi)用;ηCRF稱為年平均投資費(fèi)用率或等額分付資本回收系數(shù),與工廠壽命年限n和基準(zhǔn)折現(xiàn)率i0有關(guān),計(jì)算公式為ηCRF=i01?(1+i0)?n.ηCRF=i01-(1+i0)-n.COM為年運(yùn)行維護(hù)總費(fèi)用,包括年可變運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用(與產(chǎn)量規(guī)模相關(guān),如電耗成本等)和年固定運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用(與產(chǎn)量規(guī)模無(wú)關(guān),如管理費(fèi)、保險(xiǎn)等);Mannual為年運(yùn)氫量。對(duì)于環(huán)境排放特性分析,出于CO2排放對(duì)中國(guó)的重要意義,本文主要對(duì)比不同運(yùn)輸方式的單位質(zhì)量氫對(duì)應(yīng)的CO2排放量Etotal:Etotal=(DtruckEdesielFtruck+WelecEelec)/MH.Etotal=(DtruckEdesielFtruck+WelecEelec)/ΜΗ.式中:Dtruck為車輛行駛總距離;Ftruck為車輛燃油經(jīng)濟(jì)性;Edesiel為車輛燃油的CO2排放因子;Welec為設(shè)備耗電總量;Eelec為單位發(fā)電量對(duì)應(yīng)的CO2排放因子,其取值隨發(fā)電燃料和發(fā)電技術(shù)組成的不同而不同,基于中國(guó)總體情況,本文取值0.8kg/kWh;MH為運(yùn)氫總量。上式表示CO2排放來(lái)自2個(gè)方面:車輛燃油對(duì)應(yīng)排放和設(shè)備電耗對(duì)應(yīng)的電力生產(chǎn)過(guò)程中的排放。其他排放源(如設(shè)備鋼材生產(chǎn)過(guò)程中的排放)對(duì)應(yīng)單位運(yùn)氫量的排放較少,此處不考慮。本文采用運(yùn)輸單位質(zhì)量氫所需總能耗占?xì)涞蜔嶂档陌俜直葋?lái)表示各運(yùn)輸方式的能耗性能:總能耗是指運(yùn)輸系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的能耗之和,涉及車輛燃油能耗(Wfuel)和設(shè)備電耗(Weq),則能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)(Wtotal)表示為上述各能耗之和除以所運(yùn)輸氫量對(duì)應(yīng)的自身能量(運(yùn)氫總量MH乘以氫氣低熱值qLH),即:Wtotal=Wfuel+WeqMHqLH.Wtotal=Wfuel+WeqΜΗqLΗ.當(dāng)計(jì)算耗電設(shè)備的總能耗時(shí),將凈耗電量按照40%的發(fā)電效率折算為一次能源消耗量,以便在同一基準(zhǔn)進(jìn)行能耗比較。4分析的結(jié)果4.1運(yùn)氫成本分析本文對(duì)輸入數(shù)據(jù)的選擇以中國(guó)數(shù)據(jù)為主、國(guó)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為輔,以反映中國(guó)實(shí)際情況。圖1展示了2種運(yùn)輸規(guī)模(qm=10t/d和100t/d)和2種運(yùn)輸距離(l=50km和500km)下3種運(yùn)輸方式的運(yùn)氫成本組成,成本組成劃分為:儲(chǔ)存設(shè)備投資、壓縮/液化和加注設(shè)備投資、電力成本、管道投資、車輛投資(包括車載儲(chǔ)氫容器)、車輛燃料成本、人力成本和其他運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用(包括固定運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和可變運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用中的非燃料運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等)。從圖1可以看出:對(duì)于氣氫拖車運(yùn)輸方式(T),運(yùn)氫成本隨運(yùn)氫規(guī)模的變化不大,但隨著運(yùn)輸距離的加大,運(yùn)氫成本有明顯增加,在其運(yùn)氫成本中,車輛相關(guān)的設(shè)備投資成本和燃料成本占有最大份額;對(duì)于氣氫管道運(yùn)輸方式(P),管道投資成本在運(yùn)氫成本中占有最大份額,在運(yùn)氫規(guī)模小、運(yùn)輸距離大時(shí)運(yùn)氫成本高,反之,運(yùn)氫成本低;對(duì)于液氫罐車運(yùn)輸方式(L),液化過(guò)程的相關(guān)成本(設(shè)備投資和電耗成本)占運(yùn)氫成本的最大份額,比例達(dá)到70%～85%,由于液化設(shè)備的強(qiáng)規(guī)模效應(yīng)(規(guī)模因子0.57),液氫罐車運(yùn)輸方式的運(yùn)氫成本隨運(yùn)輸規(guī)模的增大而大幅降低,隨運(yùn)輸距離增大,該運(yùn)輸方式的運(yùn)氫成本有所增大,但增大幅度遠(yuǎn)小于氣氫拖車運(yùn)輸方式?？梢?jiàn),隨著運(yùn)輸規(guī)模和運(yùn)輸距離的變化,3種運(yùn)輸方式表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,因此有實(shí)用意義的是在運(yùn)輸規(guī)模和運(yùn)輸距離二者任意取值匹配時(shí),確定出具有最低運(yùn)氫成本的運(yùn)輸方式。圖2提供了在任意運(yùn)輸規(guī)模和運(yùn)輸距離匹配下的具有最小成本的運(yùn)輸方式及相應(yīng)成本,決策者可根據(jù)面臨的具體情景判斷選擇出最適合的運(yùn)輸方式。4.2運(yùn)輸方式在使用過(guò)程中能耗增長(zhǎng)速率分析發(fā)現(xiàn),3種運(yùn)氫方式的單位能耗與運(yùn)氫規(guī)?；緹o(wú)關(guān),僅與運(yùn)輸距離有關(guān)。圖3展示3種方式的單位能耗占?xì)錃獾蜔嶂蛋俜直萷EH隨運(yùn)輸距離的變化趨勢(shì)。從圖3可見(jiàn):對(duì)于氣氫拖車運(yùn)輸方式(T),隨運(yùn)輸距離的增大,該方式的能耗增長(zhǎng)速率最大,并在900km附近超過(guò)液氫罐車運(yùn)輸方式,成為能耗最高的運(yùn)輸方式;氣氫管道運(yùn)輸方式(P)在3種方式中能耗最低;對(duì)于液氫罐車運(yùn)輸方式(L),其主要的能耗源自液化過(guò)程,氫氣一旦液化后,由于液氫運(yùn)輸?shù)母吣芰棵芏?其僅需要很少的柴油消耗來(lái)滿足車輛運(yùn)行,因此,運(yùn)輸距離對(duì)液氫罐車運(yùn)輸方式能耗的影響幅度很小。4.3運(yùn)輸距離對(duì)每運(yùn)輸12mco2排放質(zhì)量的影響分析發(fā)現(xiàn)3種運(yùn)輸方式的單位CO2排放與運(yùn)氫規(guī)模基本無(wú)關(guān),僅與運(yùn)輸距離有關(guān)。圖4展示了3種方式隨運(yùn)輸距離變化的每運(yùn)輸1kgH2CO2排放質(zhì)量的變化趨勢(shì)。圖4中展示的每種運(yùn)輸方式單位CO2排放隨運(yùn)輸距離的變化趨勢(shì)與圖3中的能耗變化趨勢(shì)類似,二者的區(qū)別源于對(duì)發(fā)電