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国内外加氢站建设、技术、安全对比简析

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导读:作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源,氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。近年来多个国家和地区已将氢能和燃料电池发展提升到国家战略层面。加氢站是支撑氢燃料电池汽车发展必不可少的基础设施,其建设数量和普及程度,在很大程度上决定了氢燃料电池汽车的产业化进程。

01 加氢站发展现状

1.1 加氢站建设情况

根据H2stations.org的报告,2015—2020年,全球加氢站保有量增加191%。欧洲各国加氢站建设情况是德国100座、法国34座;亚洲各国加氢站建设情况是日本142座、韩国60座、中国69座、其他国家建有4座;北美的美国建有加氢站49座、北美其他国家26座;其他地区建有加氢站13座。截至2020年底统计发现亚洲、欧洲和北美洲是车用氢能发展最快的地区,在现已建成的加氢站中欧洲占36%,亚洲占49%,北美洲占14%。全球的加氢站产业仍处于发展初期,各国在建站形式、氢气制取和储存工艺等方面有显著差异。按照建设形式不同,加氢站主要包括固定式、撬装式和移动式3种;按照氢气来源不同,包括外供氢加氢站和站内制氢加氢站;按照氢气储存状态,包括高压氢气加氢站和液氢加氢站;按照制氢方式不同,加氢站包括电解水制氢加氢站、工业副产氢加氢站、天然气重整制氢加氢站等。

就加氢站的数量而言,亚洲处于领先地位,其中日本、我国和韩国发展最快。日本是氢能经济的有力推动者,为全球首个加氢站突破100座的国家,其中移动式加氢站占比超过30%。为了保障加氢站运营的经济性,日本加氢站都采取分时运营的方式。日本政府设有专门的氢能主管部门(经济产业省节能与新能源(NEDO)部新能源系统科氢与燃料电池战略室)参照城市燃气对氢气进行管理,加氢站严格执行日本的“高压气体保安法”。

随着“推动充电、加氢等设施建设”写进我国2019年政府工作报告,我国车用氢能基础设施即加氢站的发展迈入了一个快车道。我国的低温液态储氢目前仅应用于航空航天领域,加氢站全部为压缩氢气加注,截至2020年12月底,我国已建成加氢站118座,主要为各研发机构和城市公共交通汽车提供加氢服务,商业化运行占比较低,主要集中在广东、上海、江苏等经济发达的省市。以外供氢、35MPa加注等级为主,70MPa加氢站逐步增多,固定式和撬装式兼有。与此同时,氢气加注规模不断提升,出现日加氢量1000kg的中大型加氢站。氢能运输主要通过高压气态运输,同时也有少量的氢气管道运输。关于高压气态氢气运输,国内技术较为成熟,主要采用20MPa管束车运输,单次运氢量较低,约300kg。关于管道输氢,国内共建有3条,总长度在100km。

1.1.1 欧洲加氢站特点

目前德国是欧洲建成加氢站数量最多的国家,德国工业界的行业翘楚,如林德气体公司、WEH公司、奔驰汽车公司、宝马汽车公司等联合起来共同推广氢能源在德国的规模化运营。在公开氢气来源的德国26座加氢站中,有20座采用拖车站外供氢,其中5座采用液态氢运输,其余均为气态氢运输,5座采用电解水现场制氢,1座采用管道运输氢气供氢。丹麦是第一个拥有覆盖全国加氢站运营网络的国家,全国50%的人口开车15km即可找到加氢站。同时丹麦的可再生能源制氢比例很高,计划到2035年可再生能源制氢比例达到100%。

1.1.2 北美加氢站特点

自2001年起,美国便形成了较完整的推进氢能发展的国家政策、法律和科研计划体系,确定氢能为国家战略,引导能源体系向氢能经济过渡。目前美国超过半数的加氢站位于加州,大都能实现35MPa和70MPa双压力等级加注,相当一部分加氢站具备可再生能源制氢能力。

1.2 国内外加氢站对比

表1综合对比欧洲、美国、日本等国家和地区的加氢站工艺技术,现阶段我国加氢站与国外加氢站存在一些显著差异。

a)国外的加氢站大多服务于乘用车,每次的加注量有限,而且每个站点每天的加注次数也不多,因此单站的日加注能力多在100~200kg/d。国内的加氢站则大多服务于商用车,如公交车、物流车、大巴车等,每天的加注量和加注频次都相对较大,因此单站的日加注能力多在500~1000kg/d水平。

b)我国标准中对加氢站安全间距的要求明显大于国外,部分指标是国外对应指标的几倍甚至十倍。

c)加氢储氢工艺不同,我国现对于液氢暂未放开民用,因此加氢站均采用高压气相存储,而国外高压气相和低温液相存储在加氢站中均有应用。

d)氢能管理方面,我国对于氢气按照危险化学品管理,而日本对于氢气按照燃气管理,相对而言按照危险化学品管理氢气,加氢站设计、建设、运维等更加严苛。

e)推进加氢站建设过程中,综合考虑节约土地成本、设施合理布局等因素,国内外均推广油氢合建站这种新型模式,但具体布局存在很大不同。在调研的美国37座油氢合建站中,有11座的加氢机是直接与油品布置于同一加注区的,日本的油氢合建站则普遍采取了加氢和加油分区布置的方式。我国的油氢合建站以单独建设为主,加油、加氢融合度较低。

表1 国内外加氢站对比

02 国内外加氢站安全间距对比

加氢站内部及与周边建筑的安全间距直接影响到加氢站点的规划布局,而面对日益紧张的城市用地,过大的安全间距在一定程度上制约了加氢站的发展。对比各国加氢站标准中关于安全间距的规定,表2中详细列出了中国、美国、加拿大、日本和韩国加氢站标准中加氢机周围爆炸危险区、公共道路防火距离等关键指标,我国临氢设备的间距要求显著大于国外。表2中的安全间距要求包括爆炸危险区划分、防火距离等要求,数据来源:中国GB50516—2010《加氢站技术规范》;美国NFPA2—2016《Hydrogen Technology Code》;加拿大《Canadian Hydrogen Installation Code》;日本High Pressure Gas Safety Law;韩国High Pressure Gas Safety Management Law。

表2 国内外安全间距对比(单位:m)

我国加氢站建设主要依据GB 50516—2010《加氢站技术规范》,该标准制订时间较早,且在标准编制过程中,缺乏实验数据和运营经验的支撑,导致标准与实践存在一定程度的不符。标准中关于安全间距的规定按照汽油与氢气能量等价进行换算,缺乏对氢气特性、燃爆行为及事故频率、后果的深入思考,在一定程度上影响了我国加氢基础设施的建设。国外加氢站标准的制订则是依靠量化风险评估技术,针对氢气的特性及行为特征,计算得到相关的安全间距。

03 基于量化风险评价的加氢站安全间距研究

量化风险评价(Quantitative Risk Assessment,QRA)可以科学地评价某个系统或某一事故的风险值(个人风险和社会风险),为风险减缓措施提供指导和建议,也可直接应用于安全间距等相关标准的制定中,评价过程需要辨识危险源以建立不同事故场景模型、确定失效概率、失效后果分析以及选择风险基准。

3.1 加氢站危险源识别

加氢站危险源识别主要是识别站内有可能影响人员安全的危险点,之后构建危险场景。加氢站内存储的氢气具有可燃性和易燃易爆性,是引发加氢站火灾爆炸事故的主要危险源,氢气引发火灾爆炸事故的原因有设计缺陷、设备老化、操作失误、自然灾害等,但大多数事故的直接原因为氢气的泄漏。根据点火条件的不同,造成的事故后果主要有设备关停、喷射火、爆炸、空气中消散等,建立事故树,见图1。

图1 加氢站事故树

3.2 加氢站氢气泄漏概率分析

美国圣地亚国家实验室(SNL)在对加氢站安全间距进行量化风险评价的过程中,将氢气泄漏概率定义为氢气存储系统典型泄漏尺寸的函数,典型泄漏尺寸的选取至关重要。安全间距并不是针对大的灾难性事故来保护系统,而是应该覆盖设施生命周期内可能发生的事故,尤其是发生概率较高的小尺寸泄漏事故,需要保证在超出安全间距区域泄漏事故引发的风险后果是可以接受的。因此在选择典型泄漏尺寸时需要考虑所选尺寸的泄漏概率和更大尺寸泄漏的后果。最终选择的用于计算安全间距的泄漏尺寸包含了典型加氢站95%的泄漏事故。95%比例的选取是基于90%到99%的大尺寸泄漏事故在加氢站设计建设过程中已采取了应对措施。

3.3 风险基准选择

风险评价首要考虑的就是潜在的人员伤害,为事故暴露人员建立风险基准,包括位于加氢站边界以外的公众人员、加氢站工作人员及顾客。风险评价中最重要的关注点为公众安全,评价过程中公众的风险基准通常设置为比站内工作人员小1到2个数量级。根据事故后果计算模型,选择的风险基准反映了人员死亡率的可接受程度。

风险基准可以针对个人或公众群体。个人风险反映了在某一特定地点的人员平均死亡率。通常来说,对于暴露最严重的人员评价其个人风险。社会风险反映了死亡率与人数的关系,对于社会风险评价来说,确定设施周围的人员非常重要。对于一般的用于建立标准的风险评价,人口密度的选择对于结果会引入多于一个的不确定度。用于确定标准中安全间距的风险评价过程,个人风险的确定是仅针对某一特定地点的,但对于一个地点难以准确确定暴露最严重的人员,因此通常假定暴露最严重的人员为位于安全间距距离处的公众。

3.4 基于风险的加氢站安全间距计算方法

a)依据加氢站事故树,氢气泄漏事故场景分为喷射火、爆炸和仅泄漏3大类,基于选定的典型泄漏尺寸,计算泄漏量,进而得到点火概率,最终推算出不同事故场景的发生概率。

b)喷射火事故以火焰辐射值为伤害参数,爆炸事故以压力峰值和冲击波为伤害参数,分别计算其致死率,之后求和计算出该典型泄漏尺寸下的总致死率。

c)最后由图2依据泄漏事故的累计风险和选定的风险基准确定安全间距。

图2 基于风险的安全间距确定方法

04 结论与建议

在对美国、德国、日本等国家和地区加氢站现状分析的基础上,从加注规模、安全间距、储氢方式等多个方面与我国的加氢站进行了综合比较。对比发现,我国标准制定过程中采用的汽油与氢气能量等价换算方法计算得出了过大的安全间距,这在一定程度上制约了我国加氢站的发展。因此建立了基于风险的加氢站安全间距计算方法,为加氢站安全间距的科学合理制修订提供了基础。但我国的加氢站发展时间短,国内尚无有效的加氢站氢气泄漏概率数据库,对加氢站量化风险评价结果的准确性有很大影响,因此后期将开展加氢站设备失效概率的分析研究工作,以助于安全间距的合理制修订。

来源:氢能源与燃料电池

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