氢燃料汽车和加氢站面临的经济和政策挑战

1。

背景介绍　　 为了实现可持续发展的目标，交通运输领域的能源生产和使用需要发生重大变革。

氢作为少数有潜力以零碳排放满足世界大部分交通能源需求的能源载体之一，受到了广泛关注。

随着燃料电池汽车和可再生能源发电技术的不断进步，一些国家已经开始早期氢能源的市场开发。

然而，部署可持续的加氢基础设施面临方法论和应用层面的挑战，包括需要制定合理的规范并实现加氢网络与不断增长的氢燃料电池汽车之间的协调发展。

　　本文概述了加氢基础设施的设计、规划和部署所面临的挑战。

它首先审查了可持续氢气生产以及使用可再生能源和其他低碳能源发电和使用氢气提供车辆的技术解决方案。

动态之间的潜在协同作用。

其次，本文讨论了从制氢厂向加氢站输送氢气的不同方案以及加氢站的设计和成本问题，并讨论了如何有效确定加氢站的位置、规模和部署时机。

随后，本文讨论了氢燃料汽车与加氢站协调发展面临的经济和政策挑战，以及如何应对技术进步、经济和市场发展的不确定性。

最后，本文回顾了全球氢能汽车和基础设施的进展和现状，并展望了未来的发展前景、潜在效益、研究需求和必要的政策支持。

　　2.、系统集成　　氢气生产和运输方式对加氢站的设计、规模和成本以及运输中使用氢气的环境效益具有重大影响。

氢气供应路径如图1所示。

氢气可以从化石能源、可再生能源和核能源中生产，以压缩气体或低温液体的形式储存，并通过长管拖车或管道输送给用户。

此外，氢可以转化为其他常用的能源载体，如电力、甲烷或液体燃料。

这一过程会产生转换成本和效率损失，但允许氢气进入现有的能源分配网络，而无需建造庞大的氢气分配系统。

　　　　图1 氢的生产、储存、运输和最终使用路径 　　氢能源供应路径主要分为“集中式”和“分布式”两种类型。

前者是指大规模生产氢气并长期通过管式拖车或管道分配给用户，后者是指在最终使用地点生产氢气，通常通过水或蒸汽的小规模电解来进行甲烷重整（SMR）。

选择最佳的氢气供应路线取决于需求的规模、地点和类型、该地区主要氢气生产资源的相对成本、技术发展和政策。

氢能源供应链主要由生产、运输和加氢站三部分组成。

　　 目前，化石燃料的大规模集中热化学转化（通过天然气 SMR 或煤气化）是成本最低的制氢方法，单位电力成本（/千瓦）和平准化制氢成本（/千瓦）公斤）是最低的。

在化石燃料制氢工厂中采用碳捕获和储存（CCS）技术可以减少高达 90% 的温室气体排放，但也会使制氢的平准化成本增加 25-50%。

与CCS化石能源制氢相比，可再生生物质气化制氢成本较高。

此外，小规模分布式制氢比大规模集中制氢成本更高，但可以削减氢运输过程的额外成本。

如今，水电解大规模制氢已在拥有低成本水力发电的地区实现商业化。

但短期内，通过可再生能源电解水制氢的成本仍然较高。

水电解制氢需要配置低电价和高电解槽容量，才能与CCS蒸汽甲烷重整制氢竞争。

然而，使用可再生能源时，很难实现低电力成本和高容量配置。

但一些研究表明，到2020年，采用CCS的SMR制氢成本不会发生明显变化，而可再生电解制氢成本将显着降低。

　　对于氢气的运输过程，运输成本主要取决于氢气的运输量、运输距离、储存方式（压缩气体或低温液体）和运输方式（长管拖车和管道）。

图 2 显示了氢运输成本与氢运输量和行驶距离的函数关系。

图中氢气供应量为0.1吨/天，运输距离范围为10公里。

标签“G”表示使用压缩气体运输车运输成本最低，“L”表示使用液氢运输车运输成本最低，“P”表示成本最低的氢气管道。

可见，氢运输成本对规模敏感。

单位质量的运输成本随着产氢量的增加而降低，随着距离的延长而增加。

　　图2最低氢气运输成本随运输量和运输距离的变化　　对于加氢站技术和成本问题，压缩机、储氢装置和现场制氢系统（如小型电解槽）是最重要的因素为加氢网站成本的主要来源。

通过扩大加氢站规模，对压缩机、储罐、电解槽等关键零部件进行规模化生产和工艺开发，提高加氢站利用率，可显着降低加氢站成本。

图3显示了加氢站的单位成本（/kg·天）与加氢站容量和时间之间的关系。

加氢站具有较强的规模经济性。

随着加氢站规模的增大和时间的推移，单位成本会逐渐下降。

　　图3加氢站单位成本、加氢站容量与时间的关系　　3.加氢站规划　　加氢站（HRS）规划包括技术类型、数量、位置和规模（以及由此产生的利用）决策，这些加氢站将用于满足燃料电池汽车日益增长的氢气需求给定区域。

加氢站规划的目标是在给定约束条件下最小化预期系统成本，为加氢站的部署和建设提供指导。

图4所示为加氢站规划的具体流程。

加氢站的规划必须同时考虑供给（如加氢站的技术性能和成本）和需求（如加氢需求的地点和频率）。

过度建设可能导致加氢站成本过高，使氢气价格超出可接受的范围。

而建设不足可能会导致加氢不方便，从而抑制燃料电池汽车的购买需求。

在规划和实施过程中，系统成本可能与预期有所不同。

此外，在规划时必须考虑需要遵守的相关法规和标准，以避免意外的延误或额外成本。

确定建设多少个加氢站、建在哪里是加氢站规划的核心问题。

加氢站选址优化最基本的方法是p中值模型，即将其作为整数线性规划问题来求解。

应用p中值模型来最小化加氢需求点到最近加氢站的加权平均距离。

问题。

加权平均距离越小，氢燃料电池汽车驾驶员越容易到达加氢站。

　　图4加氢站规划框架图（实线矩形表示过程，椭圆形表示结果，虚线矩形表示数据）　　完成加氢规划后加氢站的建设和运营需要各个有管辖权的部门的批准。

为了减少许可过程的时间和成本，需要为加氢站制定适当的规范和标准。

　　4。

加氢站与燃料电池汽车协调发展　　 如何更好地协调基础设施建设和燃料电池汽车的产销，对于氢能社会的成功转型至关重要。

由于转型过程的复杂性和不确定性，迄今为止尚未开发出全面的氢转型模型来从根本上解决燃料电池汽车、加氢基础设施以及氢气生产和运输的供需问题。

但现有研究表明，向自给自足的燃料电池汽车和加氢基础设施市场过渡至少需要10年以上。

在转型初期，燃料电池汽车和加氢站都需要补贴，以保证燃料电池汽车和终端氢气的价格不会太高，从而为市场发展创造动力。

此外，燃料电池汽车和加氢站数量相当于目前的15-20个。

加氢站的百分比。

但在市场初期，如果加氢站集中在有利可图的市场，则可以通过加氢站数量少得多的市场规模来增长，从而促进局部地区加氢站与燃料电池汽车的协同。

发展。

　　5。

全球加氢站现状及规划　　 近年来，全球加氢站数量快速增长，几乎所有加氢站建设都获得了政府50%左右的成本补贴。

大多数加氢站加氢压力为70MPa或35MPa。

乘用车车载储氢压力的国际标准为70MPa，而商用车储氢压力通常设计为35MPa。

现有统计数据显示，约15.5%的站点仅供应35 MPa的氢气，71.1%的站点仅供应70 MPa的氢气，13.4%的站点可以在两种压力下为车辆加注氢气。

图5显示了全球不同国家按加氢站状态（公共和私人、使用中和规划中）加氢站的分布情况。

大约五分之四的加氢站向公众开放，其他加氢站主要由公交公司使用或受到其他使用限制。

　　 图5 各国加氢站分布　　 6.总结与展望　　 氢燃料电池汽车技术发展迅速，但氢能源供应系统仍远不如电网发达。

氢能基础设施的发展是燃料电池汽车成功推广的关键先决条件，需要政府、行业和投资者的重点规划和协调。

世界各地正在努力建立区域和国家加氢网络，以支持燃料电池汽车市场的增长。

目前道路上约有0辆燃料电池汽车，并有约0个加氢站支持。

预计年内将拥有1万至1万辆燃料电池汽车和数千个加氢站。

扩大氢气供应系统可以使氢气在 10 年或 15 年的过渡期内具有成本竞争力。

长远来看，随着可再生能源发电和水电解制氢技术的进步和规模扩大，可再生能源制氢将成为具有竞争力的清洁交通燃料。

　　交通领域氢能供应系统研究包括低碳制氢、氢储存、运输和加氢关键零部件技术的开发。

在氢和氢燃料电池汽车过渡阶段的模拟预测方面已经取得了一些进展，但需要进一步的分析工具来纳入消费者的选择和行为。

仍需要进行研究以更好地了解氢如何在未来的低碳能源系统中使用，包括如何将其与电网和天然气管道系统集成。