氫燃料電池汽車加氧站氧氣壓縮和冷卻能耗研究

加氫站氫氣壓縮能耗和冷卻能耗的統(tǒng)計(jì)、理論計(jì)算和評價(jià)分析是確定氫燃料電池汽車用加氫站的能耗和碳排放在交通基礎(chǔ)設(shè)施中占比時(shí)急需開展的研究工作之一。首先對加氫站氫氣壓縮能耗和冷卻能耗的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，獲得了加氫站壓縮能耗和冷卻能耗的分布范圍以及其所占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤?。其次，基于工程熱力學(xué)基本理論，推導(dǎo)了加氫站壓縮能耗和冷卻能耗的計(jì)算公式，提出了加氫站最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗的概念及其計(jì)算方法。最后，提出了基于壓縮能耗系數(shù)和冷卻能耗系數(shù)的加氫站能耗評價(jià)方法，并將該方法用于加氫站壓縮和冷卻能耗評價(jià)。結(jié)果表明：目前加氫站的壓縮能耗和冷卻能耗占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤s為4.6%～19.3%；加氫站的實(shí)際壓縮能耗系數(shù)和冷卻能耗明顯高于其最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗，降低潛力很大。1、加氫站的能耗統(tǒng)計(jì)與分析目前國內(nèi)外最常見的加氫站是高壓氫氣加氫站。根據(jù)額定加氣壓力的不同分為35MPa和70MPa兩種。對35MPa加氫站而言，其主要能耗為氫氣的壓縮能耗；對70MPa加氫站而言，其主要能耗為氫氣的壓縮和冷卻能耗。由于壓縮和冷卻裝置幾乎全部使用電能，故可認(rèn)為加氫站的能耗均為電能消耗，并可采用電能的計(jì)量單位kW?h表示。對國外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研，其結(jié)果見表1和表2。表1和表2分別為國外加氫站氫氣的壓縮和冷卻能耗等的調(diào)研結(jié)果。這些數(shù)據(jù)主要來自相關(guān)示范工程和加氫站的實(shí)際能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國雖然也有加氫站的相關(guān)示范工程，但尚未見到其實(shí)際能耗相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)的公開報(bào)道，故表1和表2無我國加氫站的實(shí)際能耗數(shù)據(jù)。表1和表2中低壓儲氣瓶壓力pl一列中“-”表示相關(guān)文獻(xiàn)沒有有用數(shù)據(jù)，pe和pm依次表示車載儲氣瓶的額定壓力和加氫站儲氫瓶的最高充氣壓力。為了便于了解實(shí)際壓縮和冷卻能耗的大小，本文采用實(shí)際壓縮能耗Esy和實(shí)際冷卻能耗Esl占?xì)錃獾蜔嶂礖l百分比的評價(jià)方法，在計(jì)算時(shí)氫氣的低熱值Hl取為120MJ/kgH2或33.33kW?h/kgH2。表1所列結(jié)果表明：在不同初始壓力和最高壓力下，70MPa加氫站的氫氣實(shí)際壓縮能耗在1.53～6.44kW?h/kgH2，占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤‥sy/Hl）為4.6%～19.3%；35MPa加氣站的氫氣實(shí)際壓縮能耗在2～4kW?h/kgH2，占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤秊?%～12%。由于加氫站氫氣的壓縮受到低壓儲氣瓶壓力、高壓儲氣瓶泄漏量及其連接管路壓力損失、環(huán)境溫度和加氣量等因素影響，因此，不同加氫站的壓縮能耗差異較大，致使部分35MPa加氫站氫氣實(shí)際壓縮能耗高于70MPa加氫站的這一不符合常規(guī)的現(xiàn)象。由表2知，70MPa加氫站的氫氣實(shí)際冷卻能耗Esl范圍在0.18～1.37kW?h/kgH2，占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤‥sy/Hl）為0.5%～4.2%。由于加氫站氫氣的冷卻能耗受到加氣量及間隔時(shí)間、環(huán)境溫度、高低溫系統(tǒng)絕熱性能和冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)性能等因素的影響，因此，不同加氫站的冷卻能耗也出現(xiàn)了巨大差異。表1加氫站氫氣壓縮能耗調(diào)研結(jié)果表270MPa加氫站冷卻能耗Esl調(diào)研結(jié)果值得說明的是，由于目前對加氫站的能耗一般采用單位質(zhì)量的氫氣能耗表示，因此，加氫站氫氣的加氣量對加氫站的能耗影響非常顯著。SamSprik等對2014年3季度至2017年4季度美國34個(gè)加氫站的能耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中高壓氫氣加氫站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：當(dāng)氫氣月銷售量高于3500kg時(shí)，加氫站的能耗均低于3kW?h/kgH2；氫氣月銷售量低于500kg時(shí)，加氫站的能耗最大值達(dá)到50kW?h/kgH2；氫氣月銷量小于500kg時(shí)，氫氣站的能耗隨月銷量的減少快速上升。從以上加氫站運(yùn)行中的氫氣實(shí)際壓縮能耗運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，加氫站氫氣的壓縮和冷卻能耗占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤蝗莺鲆?，減少加氫站的能耗對汽車行業(yè)的節(jié)能減排具有重要作用。2、加氫站氫氣理論壓縮能耗的計(jì)算目前加氫站廣泛使用的氫氣壓縮機(jī)可分為機(jī)械式和非機(jī)械式壓縮機(jī)兩類，其中機(jī)械式壓縮機(jī)在加氫站應(yīng)用最多。對于采用機(jī)械式壓縮機(jī)的加氫站而言，其氫氣的理論壓縮能耗可以采用熱力學(xué)方法計(jì)算。由熱力學(xué)的基本理論可知，氣體壓縮所需能耗可由圖1所示的氣體壓力-比容（p-v）曲線圖計(jì)算得到。圖1中符號p、T、v依次表示氣體的壓力、溫度和比容。若假定氫氣為理想氣體，其壓縮過程為多變指數(shù)等于n的多變過程，則壓縮始點(diǎn)1、壓縮過程任意時(shí)刻和壓縮至終點(diǎn)2的氣體狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系如式（1）所列。由初始壓力p1壓縮至終點(diǎn)壓力p2時(shí)所需的壓縮功（即理論壓縮能耗）W1-2可采用公式（2）計(jì)算。圖1壓縮過程的p-v圖公式（2）可用于計(jì)算多變和絕熱壓縮過程的能耗，但無法計(jì)算等溫過程的能耗。對于等溫過程（n=1）而言，由初始壓力p1壓縮至終點(diǎn)壓力p2時(shí)所需的壓縮功則由公式（3）計(jì)算。于是，由公式（2）和（3）即可得到氫氣多變、絕熱和等溫壓縮過程的壓縮能耗。表3列出了n依次為1、1.2和1.4時(shí)的理論壓縮能耗，計(jì)算時(shí)假定壓縮始點(diǎn)壓力和溫度分別為5MPa和288K。為了了解由公式（2）和（3）得到的壓縮能耗的大小，表3中還列出了理論壓縮能耗W1-2占?xì)錃獾蜔嶂礖l的百分比，此處氫氣的Hl取為120MJ/kg。該結(jié)果表明：等溫壓縮過程的壓縮功W1-2最低，絕熱壓縮過程最大，n=1.2的多變過程居中。因此，可以說由公式（3）計(jì)算得到的等溫壓縮過程的壓縮能耗W1-2是加氫站實(shí)際壓縮能耗的最低極限值，故本文將等溫壓縮過程的壓縮能耗作為加氫站的氫氣理論壓縮能耗，用于評價(jià)加氫站實(shí)際壓縮能耗的先進(jìn)性。表3理論壓縮能耗W1-2與n的關(guān)系3、加氫站氫氣冷卻能耗的計(jì)算SAEJ2601標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，冷卻裝置噴嘴出口處氫氣溫度有0℃、?20℃和?40℃三種。對70MPa的車載氣瓶加氣時(shí)，為了保證車載氣瓶能充入足夠質(zhì)量的氫氣，一般要求將氫氣冷卻至?40℃（233.15K）。因此，計(jì)算70MPa加氫站中氫氣冷卻能耗時(shí)，其初始溫度和終止溫度分別為環(huán)境溫度和?40℃。由熱力學(xué)第一定律可知，氫氣冷卻所需最小能耗EL為氫氣環(huán)境溫度下內(nèi)能與?40℃下內(nèi)能之差。氣體的內(nèi)能可視為溫度的函數(shù)，其數(shù)值等于氫氣的溫度與其定容比熱的乘積。故計(jì)算EL時(shí)，首先需要確定氫氣定容比熱隨溫度變化的經(jīng)驗(yàn)公式。圖2表示溫度在?48℃至102℃范圍內(nèi)氫氣的定容比熱cv與溫度的關(guān)系，菱形記號為由文獻(xiàn)中定壓比熱計(jì)算得到的定容比熱值，多項(xiàng)式曲線為定容比熱隨溫度變化的擬合曲線?？梢?，氫氣的定容比熱cv可以用溫度的三次函數(shù)曲線表示，其方程式為：圖2氫氣定容比熱cv與溫度T的關(guān)系當(dāng)氫氣由環(huán)境溫度T冷卻至233.15K（?40℃）時(shí)需要的冷卻能耗為：對（5）式積分，即可得到環(huán)境溫度T下的氫氣冷卻到?40℃時(shí)理論上所需最小能耗EL（kJ/kgH2）的計(jì)算公式（6）。表4列出了由公式（6）計(jì)算的把氫氣由環(huán)境溫度t冷卻到?40℃時(shí)所需的冷卻能耗?？梢?，隨著t增加，把氫氣從t冷卻到?40℃時(shí)所需冷卻能耗增加；當(dāng)t為40℃時(shí)，氫氣冷卻到?40℃時(shí)所需冷卻能耗為816.82kJ/kgH2，僅為氫氣低熱值Hl的0.68%。與表3所列壓縮能耗比較，冷卻能耗對加氫站總能耗的影響較小。由于公式（6）計(jì)算得到的冷卻能耗沒有考慮冷卻裝置啟動(dòng)及待機(jī)維持低溫時(shí)的能量損失，故由公式（6）計(jì)算得到的冷卻能耗可以視為加氫站的實(shí)際冷卻能耗的最低極限值。表4不同環(huán)境溫度下氫氣冷卻到?40℃時(shí)所需能耗4、氫氣壓縮及冷卻能耗的評價(jià)參數(shù)及其應(yīng)用分析表1和表2中所列加氫站氫氣壓縮及冷卻能耗實(shí)際統(tǒng)計(jì)值，以及所占?xì)錃獾蜔嶂档谋壤?，直觀反映了加氫站實(shí)際能耗的高低，便于評價(jià)和比較不同加氫站氫氣壓縮及冷卻能耗的水平。但對于同一加氫站而言，特別是實(shí)際氫氣壓縮及冷卻能耗處于領(lǐng)先水平或最低水平的加氫站，則無法得知該加氫站的能耗是否還有降低的可能，其節(jié)能潛力還有多大。為了解決上述問題，本文提出了采用壓縮能耗系數(shù)cy和冷卻能耗系數(shù)cl這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行加氫站能耗評價(jià)的新型方法。cy和cl分別表示加氫站的實(shí)際壓縮和冷卻能耗與其對應(yīng)條件下最低極限壓縮能耗和冷卻能耗的比值。如cy和cl的數(shù)值為1，則表明加氫站實(shí)際的壓縮和冷卻能耗是其最低極限壓縮能耗和冷卻能耗的1倍。顯然，cy和cl的值越大，說明該加氫站的能耗越高，其降低潛力越大。cy和cl可分別由公式（7）和（8）計(jì)算：式中，Esy、Esl分別表示加氫站壓縮和冷卻能耗的實(shí)際統(tǒng)計(jì)值；Ejy、Ejl分別表示由公式（3）和（6）計(jì)算得到的最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗。此處，應(yīng)該說明的是：壓縮和冷卻能耗系數(shù)的倒數(shù)1/cy和1/cl也可以用于加氫站的能耗評價(jià)，不同的是：cy和cl的最小值為1，而1/cy和1/cl的最大值為1，1/cy和1/cl為最大值時(shí)，加氫站的實(shí)際壓縮和冷卻能耗與其最低極限壓縮能耗和冷卻能耗相等；另外，1/cy和1/cl的值越小，說明該加氫站的能耗越大，其降低潛力越大。由式（7）和（8），以及壓縮能耗和冷卻能耗最低極限值的含義可知，cy和cl的最小值為1，此時(shí)，壓縮能耗和冷卻能耗的實(shí)際統(tǒng)計(jì)值達(dá)到了其最低極限值。cy和cl的數(shù)值越大，說明加氫站實(shí)際能耗的降低潛力越大，cy和cl越接近1，說明該加氫站的能耗越小。為了了解運(yùn)行中的加氫站的實(shí)際壓縮能耗和冷卻能耗的水平，表5和表6分別列出了由公式（7）和（8）得到的幾個(gè)加氫站的cy和cl的計(jì)算結(jié)果。表5列出了5個(gè)相關(guān)文獻(xiàn)中給出的加氫站Esy、低壓儲氫瓶壓力p1、額定充氣壓力pe和最高充氣壓力p2，以及Ejy和cy的計(jì)算結(jié)果。表5中Esy采用了文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的中間值；由公式（3）計(jì)算Ejy時(shí)，p1、p2使用了表5中的數(shù)值。表5所列結(jié)果表明：目前實(shí)際運(yùn)行中的加氫站的cy值在1.53～4.17之間，壓縮能耗最小的加氫站的實(shí)際壓縮能耗為其最低極限壓縮能耗的1.53倍，仍然具有降低潛力。壓縮能耗最大的加氫站的實(shí)際壓縮能耗為其最低極限壓縮能耗的4.17倍，降低潛力巨大。表5加氫站的壓縮能耗系數(shù)cy表6列出了4個(gè)額定加氫壓力均為70MPa加氫站的Esl，以及Ejl和cl的計(jì)算結(jié)果。由于相關(guān)文獻(xiàn)中沒有冷卻能耗統(tǒng)計(jì)階段的環(huán)境溫度數(shù)值，故計(jì)算Ejl時(shí)環(huán)境溫度采用了標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣體溫度293.15K；Esl為文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的中間值。該結(jié)果表明，目前實(shí)際運(yùn)行中的加氫站的cl值在1.12～7.08之間，其變化范圍非常大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)，一是Esl是一段時(shí)間之內(nèi)的統(tǒng)計(jì)