國內加氫站主要采用膜式壓縮機,規模化效應提供成本下降空間

寧洋

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  • 2019-08-16
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截至2018年底,全球已投入運營的加氫站有369座,美國、日本和中國數量最多,分別為152座、42座、96座和23座。國內加氫站正處于產業導入期,分布呈現明顯的產業聚集效應,日前受政策影響建設步伐增速。壓縮機是加氫站的三大核心部件之一,本文介紹了現有的8類氫氣壓縮機,并從規模化效應方面闡述了壓縮機成本的未來趨勢。

摘要:截至2018年底,全球已投入運營的加氫站有369座,美國、日本和中國數量最多,分別為152座、42座、96座和23座。國內加氫站正處于產業導入期,分布呈現明顯的產業聚集效應,日前受政策影響建設步伐增速。壓縮機是加氫站的三大核心部件之一,本文介紹了現有的8類氫氣壓縮機,并從規模化效應方面闡述了壓縮機成本的未來趨勢。

根據工作原理及內部結構的不同,壓縮機可分為機械式壓縮機和非機械式壓縮機兩大類,而機械式壓縮機又分為活塞式壓縮機、膜式壓縮機、線性壓縮機和離子液體壓縮機四類,非機械式壓縮機分為低溫液體泵、金屬氫化物壓縮機、電化學氫氣壓縮機和吸附型壓縮機四類。

  

圖1 壓縮機分類

  (資料來源:金智創新行業研究中心)

活塞和隔膜壓縮機應用較廣,但無法滿足大排量使用

由于氫氣具有密度低、能量密度小的特點,氫氣壓縮機必須要具備承壓大、流量大、安全和密封性好的特質,在防止氫脆現象的同時,盡可能的追求較少的能源損耗,目前國內加氫站較多采用的是活塞式和隔膜式壓縮機。

(1)活塞式壓縮機是由聯軸器帶動主機做往復的活塞運動,推動氣缸中氣體來進行壓縮的。其優點是技術成熟、經驗豐富、壓力范圍大,同時系統結構簡單,工作過程中氣體和潤滑油不接觸,保證了氫氣中混入“碳”,避免下游應用中膜電極與“碳”反應出現故障。但其受自身結構限制,僅適用于中小排量和高壓的工況。目前,國際上活塞式壓縮機的輸出壓力可達到100MPa,流量為300Nm3/h。其中,HydroPac公司研制的壓縮機輸出壓力為85.9Mpa,流量為430kg/h,技術較為成熟。

  

圖2 活塞式壓縮機工作示意圖

  (資料來源:光大證券)

(2)隔膜式壓縮機也是由電動機驅動曲軸轉動,由連桿推動活塞做往復運動,其與活塞式壓縮機的不同點主要是活塞和氣體之間加入了液油和隔膜,增加了密封性好,進一步降低了“碳”與氣的接觸,潔凈度極高。而其缺點與活塞式類似,也僅用于中小排量和高壓的工況。較先進的壓縮機排氣壓力可達100MPa,流量為200~700Nm3/h,效率可達80%~85%。其中美國的三層金屬隔膜結構壓縮機輸出壓力超過85Mpa。國內的該類壓縮機壓力僅有45Mpa,且流量較小,實際的示范應用中故障率較高,同時87.5MPa壓力等級壓縮機還處于試樣階段,關鍵部件依賴進口。

 

圖3 隔膜式壓縮機工作示意圖

  (資料來源:光大證券)

線性、離子壓縮機成本低,低溫液態泵排量高

(1)線性壓縮機直接將電磁力轉化為活塞往復運動的驅動力,能量使用效率較高,且結構簡單省去了大量的支撐部件,經濟性潛力較大。美國為實現其DOE指定的提效、降本目標,已開始研制86~95MPa、氣體排量高于112Nm3/h、效率超過73%的線性壓縮機。該類壓縮機尚未有應用實例,但其是未來壓縮機成本降低的一個方向。

 圖4 線性壓縮機工作示意圖

  (資料來源:光大證券)

(2)離子液體壓縮機采用低熔點鹽代替活塞,使用壽命長、比活塞式可節省20%能耗。目前林德集團研制的該類壓縮機從最初的500個零件降低為8個,成本已大幅降低,應用到加氫站的離子液體壓縮機排氣壓力為45~90Mpa、流量為90~340Nm3/h,效率65%以上,最高的排氣壓力可達100MPa,排量為376~753Nm3/h。

(3)低溫液態泵采用低溫高壓儲氫技術,氫氣的體積能量密度大幅增加,但該技術應用對氫氣的儲運要求較高,相應的成本也較高。其排氣壓力可達到85MPa,排量達100kg/h,氫氣儲存密度達80g/L。Linde公司采用的低溫液態泵排氣壓力為35~90MPa,排量超過1000Nm3/h。

  

圖5 低溫液體泵工作示意圖

  (資料來源:光大證券)

其他壓縮機尚在研發,向低成本、大排量方向發展

其他類型的壓縮機目前尚在研發,但技術還不成熟,已運營的加氫站中也未得到應用。其發展方向超著氫氣壓縮機亟待解決的熱點——低本、高壓和大排方向發展,對未來加氫站降低成本有著重要的研究意義。

壓縮機占建設成本30%,規模化效應提供成本下降空間

截至2019年6月份,國內已運行加氫站共30座,在建加氫站共40余座,加氫站的建設如火如荼。加氫站建設成本主要包括壓縮機、儲存器、氫氣加注機、設備設置費用、預冷機、土建費及其他,其中壓縮機目前占建設總成本的30%,是加氫站建設降低成本的關鍵。

  

 圖6 加氫站建設成本比例

  (資料來源:DOE、金智創新行業研究中心)

據研究,擴大壓縮機的生產規模,將使每套壓縮機分攤的資本成本、設備和建筑成本大大降低,如生產規模由10套/年增加到100套/年時,其曲軸、承軸等核心部件成本降低約82%,直接生產成本降低約56%,因此,隨著加氫站的加速建設,上游壓縮機配套部件的增產,整個壓縮系統的成本在未來將有很大的降低空間。

  圖7 壓縮系統的直接生產成本及裝配成本與生產規模關系

  (資料來源:《Manufacturing competitiveness analysis for hydrogen refueling stations》)

小結

國內加氫站正處于產業導入期,日前受政策影響建設步伐增速。根據工作原理及內部結構的不同,壓縮機可分為活塞式等8類,其中,活塞和隔膜壓縮機應用較廣,但無法滿足大排量使用;線性、離子壓縮機成本低,低溫液態泵排量高;其他壓縮機尚在研發,向低成本、大排量方向發展。壓縮機占加氫站建設成本30%,規模化效應為壓縮機的生產成本提供下降空間。


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