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分析 | 氢能设备在港口应用的思考

时间:  2021-05-31 16:42   来源:  氢云链    作者:  网络转载

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导读:不可忽视的是,氢能的危化品属性仍是制约港口区域加氢站建设、储氢、运氢的关键因素,港口作为安全、交通、海关、边检、消防、环保等多部门重点监管区域,相关部门只有解决加氢站建设及氢能储存、运输等问题,才能为氢能技术在港口的推广应用提供稳定的能源供应。

一、背景

氢能源以氢气作为能源载体,由于其不管是直接燃烧还是采用电化学转化,产物只有水且能量转化效率高,加之具有来源丰富等优点,被誉为 21 世纪最具发展潜力的二次能源。燃料电池现已特指将氢气的化学能直接转化为电能的装置,具有转换效率高、零排放等特点,是最佳的氢能利用技术。

氢能燃料电池的工作原理并非直接采用燃烧氢气的方法,而是依靠其阳极(H2)、阴极(O2)以及电解液等构成部件,通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换成电能。工作过程只需要燃料(氢气)和氧化剂(空气或纯氧)持续输入,氢能燃料电池就可以连续产生电能,而终产物只有无污染的水,可以直接排出。同时,作为燃料的氢气来源广泛且丰富,通过电解水制氢、天然气制氢、煤制氢和工业副产氢均可得到,因此,国际能源署(IEA)在发布的报告《氢的未来》中特别提出,氢能发展的主要内部动力就是支持深度减排,以及解决城市污染、国家能源安全问题,氢能提供了跨地区、跨季节的能量转化渠道。

在过去的 10 年间,美国、日本、德国等欧洲发达国家以及我国均开始着力于推动氢能燃料电池技术的发展,不仅出台了相关政策及鼓励措施,并且在核心技术研究与产业化上进行了倾斜性投资,以此促进主流能源体系的优化升级。

我国长期以来能源相对短缺,并且对于石油需求增长迅速,自 2017 年已成为最大的原油进口国。因此,国家在氢能产业的布局,对于缓解我国能源紧张局面、进一步节能减排以及实现低碳环保发展至关重要。我国《“十三五”战略性新兴产业发展规划》《能源技术革命创新行动计划(2016—2030 年)》《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020 年)》《中国制造2025》等国家规划都明确了氢能产业的战略性地位,纷纷将发展氢能列为重点任务,将氢燃料电池汽车列为重点支持领域。《关于 2016—2020 年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》明确了“2017 - 2020 年除燃料电池汽车外其他车型补助标准适当退坡”(应限于上路车辆)。在国家与地方政策的推动下,中国燃料电池汽车得到了快速发展。

在物理特性上,氢热值 (143 MJ/kg) 较高,是同质量焦炭、汽油等化石燃料热值的 3~4 倍,通过燃料电池可实现综合转化效率 90% 以上 ,通常被视为高效能源。不过以分析整车能源效率时常用的“油井到车轮”(WTW)生命周期效率指标来看,氢能燃料电池车辆的表现一般不如纯电动车,这主要受到目前制氢、储氢、输氢以及燃料电池能量转化技术不成熟的影响。以港口常见的集装箱牵引车为例,结合国内北方某港口能耗实际,对集装箱牵引车全寿命周期使用费用进行测算如表 1(暂未考虑国家或地方燃料电池汽车示范应用支持政策)。下图为不同能源形式的集卡车经济性对比分析。

分析 | 氢能设备在港口应用的思考

从全寿命周期总费用看,在当前氢能单车售价、氢能单价不变的情况下,氢能集装箱牵引车较电动集装箱牵引车高 30% 以上。

二、港口应用分析

国外方面,现代汽车在氢燃料电池集卡方面行动较为迅速。2020 年 7 月 6 日, 现代汽车已实现将 10 台氢燃料电池重卡 XCIENT FuelCell(世界首次量产车型)装运出口瑞士。港口应用领域,由于美国加州严苛的环保政策(2045年所有在加州销售的卡车将是零排放车),自2018 年,加利福尼亚空气资源委员会(CARB)为洛杉矶港成立“海岸到仓库”项目,2019 年底由丰田和肯沃斯生产的 10 辆氢燃料电池重型卡车开始测试性服务于洛杉矶和长滩的港口。

国内氢燃料电池集卡整体处于起步阶段,目前一汽解放、重汽、大运、陕汽、徐工、江苏奥新等均与不同氢燃料电池技术供应商合作开展氢燃料电池集卡的研制生产工作,各重卡制造商均有不同型号的成熟产品获得工信部批复的上路公告,深圳盐田港、青岛港等港口已开展氢能设备应用探索。受制于国内氢能基础配套设施及国家相关政策尚不完善,目前市场保有量相对较少,各港口对氢燃料电池集卡的推广应用均持观望态度。

分析 | 氢能设备在港口应用的思考

港口用能设备主要包括集装箱岸桥、轮胎式集装箱场桥、门座起重机、集装箱正面吊、集装箱牵引车、叉车、装载机等。除大型设备外,大部分港口装卸设备仍使用柴油、LNG 等化石燃料,此类设备具有使用强度高、能耗大、排放低、污染重等特点,应用氢能可极大减少设备对化石燃料的依赖,大幅降低设备尾气排放强度,真正实现港口设备的“零排放”,且港口设备作业时间和工作范围相对固定,便于加氢站建设容量的规划测算。

三、存在问题

1.政策性问题根据《GB 6944—2012 危险货物分类和品名编号》《GB 12268—2012 危险货物品名表》,压缩氢属于第二类危险品。在港口区域内开展压缩氢气的储存、装卸、加注、运输以及使用氢能源存在合法合规性、安全性等问题。因此,在氢能行业内普遍认为,我国氢能产业发展的主要瓶颈并不是制氢、储氢或电堆系统相关技术,而是国家现有法规和规章将氢定性为“危化品”,而非“能源”。2020 年 4 月10 日国家能源局发布的《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》中,氢能首次被列为能源范畴(第一百一十五条)。可以预见,随着氢能的推广应用与技术发展,氢能不久应会归为能源,对应法规约束会进一步放开。在此之前,氢能车辆在港区应用的全流程环节中,必须将安全放在首位,按照法规与政策规范审慎开展试点应用工作。

2. 安全性问题在物理特性上,氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的,仅为汽油的 1/22,且由于其密度极小,一旦泄漏会很快上升并向各个地方扩散,较难达到爆炸所需浓度,因此在理论上危险性小于汽油。但由于氢气有着易挥发、易燃、易爆及氢脆的特性,同时储氢瓶内满载压力达70 MPa,压力极高,港口现场作业工况复杂,作业现场设备颠簸、震动,剐、蹭、磕、碰频繁发生,一旦发生事故,后果极为严重。另外,由于对氢气使用的经验不足,司机或维保人员在使用、维修氢燃料电池设备时,心理上存在着较大的疑虑。包括韩国、挪威、美国在内的国家在氢能源应用过程中均发生过氢能车辆使用事故,造成不同程度的人员伤亡,教训极为惨痛。

3. 技术标准问题目前我国氢能技术标准体系尚不完善,在一定程度上制约了氢能的发展,给氢能车辆应用过程的合规性增加了不确定因素。截至 2020 年 7 月,氢能与燃料电池领域现行 95 项国家标准,主要涉及氢气制取、氢能相关装置检测处理、氢能储运基础设施、加氢基础设施以及燃料电池技术要求等 5 个方面。总体上,虽然目前氢能相关标准已具备一定数量,但是其尚未形成完整的体系,并且随着技术的快速发展,有些标准难免落后或过于简单。如在加氢基础设施方面,涉及 8 项标准,其中《GB50516—2010 加氢站技术规范》制订已 10 年,按其规定,各类加氢站(理论上包括撬装式与移动式)距离站外建筑物、构筑物(如厂房、仓库等)的防火距离一般都在 20 m 以上,这对于寸土寸金的码头、堆场领域难以实现 ;再如《GB/T 31139—2014 移动式加氢设施安全技术规范》,正文部分内容有限,具体要求仍要参照《GB 50516》。

氢能技术方面标准较多,共计 39 项(包含部分非氢能燃料电池要求),但是尚缺少具有较强针对性、可实施性的安全标准,例如 2010 年实施的《GB/T 24549—2009 燃料电池电动汽车安全要求》,其中具体要求还需要依循《GB/T28046.1—2011 道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验》该类通用车辆电气标准。再如《GB/T 36288—2018 燃料电池电动汽车燃料电池堆安全要求》,正文部分仅 3 页,对比之下,较为成熟的电动汽车相关标准《GB/T 31467.3—2015 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分:安全性要求与测试方法》,涉及到振动、机械冲击、模拟碰撞、挤压、海水浸泡、外部火烧等各种特殊情况下的安全性测试,内容详实且实操性较强。

目前国家标准对氢能技术的要求入门门槛较低,且现有氢能相关国家标准基本为推荐性标准而非强制性标准,目前氢能标准体系尚不清晰,测试标准严谨性一般,技术测试存在较大漏洞。与纯电动技术相比,各氢能技术供应商参照当前国家标准完成产品化生产难度较低,氢能车辆的安全性尚未经过实践检验,这无形中增加了氢能车辆终端用户的安全风险,相关氢能车辆的安全隐患直接转嫁至港口企业。港口作为各地安全管理的重点区域,生产任务紧张、安全形势严峻,现阶段应用氢能车辆存在极大不确定性。4. 配套及经济性问题目前,全国港口范围内尚无加氢站等配套设施,也无相关加氢设施建设规划,港口设备加注氢能燃料需利用移动式加氢装置和长管拖车,直接造成使用成本攀升。在港口区域内建设加氢站相关安全、消防、环境等政策要求尚未完善。港口装卸设备离开相应区域存在合法合规性问题,这导致港口氢能设备难以获得稳定可靠的氢能气源保障,严重制约港口推广应用氢能设备。目前,氢能车辆单车价格、氢能源价格均居高不下,应用氢能设备虽具有一定的社会效益与环保效益,但经济性差,港口企业作业氢能车辆及能源的终端用户,推广应用氢能车辆的积极性不高。

四、发展建议

国内氢能产业正处快速发展期,这对氢能标准化提出了更高要求,目前氢气的制储运标准体系相对缺乏,相关标准及测试体系亟待建立,港口应用氢能技术存在较大安全风险。相关政府主管部门、行业协会等需根据技术水平的快速发展,对相关标准进行不断调整与完善。政府相关部门也应通过行政和监管手段规范氢能技术的健康发展,确保氢能技术的安全可靠、经济实用,从法律法规、安全性等方面为港口使用氢能技术提供制度和安全的双重保障。

目前制约氢能技术在港口推广应用的关键因素之一是氢能配套设施匮乏。随着技术的持续迭代以及国家政策的大力支持,各地均出台了氢能配套设施规划,部分地区也开展了加氢站建设尝试,这为氢能设备在港口中的应用提供可能。不可忽视的是,氢能的危化品属性仍是制约港口区域加氢站建设、储氢、运氢的关键因素,港口作为安全、交通、海关、边检、消防、环保等多部门重点监管区域,相关部门只有解决加氢站建设及氢能储存、运输等问题,才能为氢能技术在港口的推广应用提供稳定的能源供应。

氢能技术在设备中的应用尚处于研发阶段,各制造商虽开展氢能技术应用尝试,但成熟度高、可靠性高、经济性好且满足港口特殊工况使用需求的氢能设备大规模应用案例较少。国内氢能技术厂商普遍侧重氢燃料电堆技术本身,对于氢燃料电堆与整车的匹配性认知程度不够,氢能设备整车可靠性尚需验证,在港口中的推广应用尚需实践检验。

五、结语

与纯电动技术相比,包括氢燃料电池催化剂、质子交换膜等氢能设备关键零部件仍主要依赖进口,核心技术竞争力较差。国家应加强顶层设计,构建产业发展安全技术规范体系,组织开展氢能核心技术攻关,出台氢能产业链培育规划政策,保障氢能产业的健康发展。
 

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