氫能，是氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能，具有來(lái)源豐富、燃燒熱值高、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)。近年來(lái)，氫能被應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活各方面，不少大型城市開(kāi)始興建加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，氫能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)得到大規(guī)模推廣。

6月2日，我國(guó)首個(gè)重載鐵路加氫站——國(guó)家能源集團(tuán)國(guó)華投資蒙西分公司巴圖塔加氫站正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。這標(biāo)志著中國(guó)氫能技術(shù)的重大突破，為推動(dòng)氫能與重載鐵路、氫能與自動(dòng)加氫機(jī)器人、氫能與大流量加氫機(jī)的深入融合，探索推廣氫能產(chǎn)業(yè)新型商業(yè)模式和高質(zhì)量發(fā)展提供先行先試經(jīng)驗(yàn)。

巴圖塔加氫站是如何工作運(yùn)行的？它的建成投運(yùn)將為我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型帶來(lái)哪些助力？記者帶您一起探訪位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市新朔鐵路海勒斯壕南站西側(cè)的我國(guó)首個(gè)重載鐵路加氫站。

沒(méi)有污染物排放、不用重新架設(shè)取電網(wǎng)，氫能被首次運(yùn)用于我國(guó)鐵路運(yùn)輸行業(yè)

“喝”的是氫氣，排的是水蒸氣。氫具有燃燒熱值高的特點(diǎn)，約是同質(zhì)量汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。通過(guò)燃料電池可實(shí)現(xiàn)綜合轉(zhuǎn)化效率90%以上，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。此外，氫燃燒的產(chǎn)物只有水，沒(méi)有污染物及碳排放，是世界上最干凈的能源，能夠有效緩解溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。

隨著全球?qū)G色能源需求的不斷增長(zhǎng)，氫能逐漸成為替代傳統(tǒng)化石能源的重要選項(xiàng)，我國(guó)在這一領(lǐng)域的探索與投資也愈加深入。今年的政府工作報(bào)告提出“加快前沿新興氫能、新材料、創(chuàng)新藥等產(chǎn)業(yè)發(fā)展”，這是氫能首次作為前沿新興產(chǎn)業(yè)被著重提及。

“加氫站是指專(zhuān)門(mén)為氫能源汽車(chē)、鐵路機(jī)車(chē)等交通工具提供加氫服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)將氫氣注入氫能源汽車(chē)、鐵路機(jī)車(chē)中，使其產(chǎn)生電能來(lái)推動(dòng)汽車(chē)、機(jī)車(chē)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)零排放?！卑蛨D塔加氫站氫能專(zhuān)業(yè)工程師田翔宇介紹，按建設(shè)形式的不同，加氫站可分為固定式加氫站、撬裝式加氫站和移動(dòng)式加氫站；按氫氣來(lái)源的不同，加氫站可分為站外制氫加氫站和制氫加氫合建站；按氫氣存儲(chǔ)狀態(tài)的不同，加氫站可分為高壓氣氫加氫站和液氫存儲(chǔ)型加氫站；按加注壓力的不同，可分為35兆帕加氫站和70兆帕加氫站。

截至2023年底，全球已建成998座加氫站，其中，我國(guó)以428座加氫站處于領(lǐng)先地位。加氫站可以為小型汽車(chē)、貨車(chē)、重卡、客車(chē)、輪船等交通工具加氫，而氫能在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用，巴圖塔加氫站在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

氫能+重載鐵路，兩者為何結(jié)合？“國(guó)家能源集團(tuán)有兩千多公里的自營(yíng)重載鐵路，主要用于運(yùn)輸煤礦、化工產(chǎn)品等大型原材料貨物。一直以來(lái)，我們使用的軌道車(chē)和大型養(yǎng)路機(jī)械主要采用大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，存在能耗高、尾氣污染大、噪音大等問(wèn)題?！碧锵栌钫f(shuō)，氫能是高效清潔環(huán)保型能源，其能量利用的最終產(chǎn)物為水，由于沒(méi)有任何污染物的排放，不用重新架設(shè)取電網(wǎng)，因此有了重載鐵路加氫站這樣的實(shí)踐嘗試。

田翔宇介紹，巴圖塔加氫站的主要工作原理是通過(guò)加氫站壓縮機(jī)把外購(gòu)的氫氣最高增壓至43.5兆帕，注入儲(chǔ)罐儲(chǔ)存；當(dāng)重載鐵路作業(yè)機(jī)車(chē)需要加氫時(shí)，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的智慧站控系統(tǒng)和自動(dòng)加氫機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)車(chē)輛的自動(dòng)加氫。從配置來(lái)看，加氫站共有1臺(tái)長(zhǎng)管拖車(chē)、1臺(tái)45兆帕撬裝壓縮機(jī)、1臺(tái)大流量加氫機(jī)、1臺(tái)冷水機(jī)組、1臺(tái)15立方米氫氣儲(chǔ)氣瓶組，配套設(shè)站控系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、防爆墻、氮?dú)庀到y(tǒng)及放散系統(tǒng)等。

從外觀上看，加氫站和加油站非常相似，但有一點(diǎn)顯著的區(qū)別——加油站的油罐埋在地下，沒(méi)有壓力；而加氫站的儲(chǔ)罐是位于地面上、帶壓力的儲(chǔ)氫容器。

為什么要給儲(chǔ)罐加壓？“一是為了儲(chǔ)氫，二是為了加氫?！碧锵栌罱忉尩?，“氫氣的分子量很小，在常壓下儲(chǔ)量會(huì)很低。此外，加氫站給火車(chē)加氫的過(guò)程，就是高壓力容器往低壓力容器注氣以平衡壓力的過(guò)程，所以只有當(dāng)儲(chǔ)罐的壓力高于火車(chē)氫燃料儲(chǔ)存容器的壓力，才能順利實(shí)現(xiàn)加氫?！?/p>

耐低溫型自動(dòng)加氫機(jī)器人助力，20分鐘可加注完成一輛65千克儲(chǔ)氫量機(jī)車(chē)

“咔”的一聲，隨著氫能源動(dòng)力機(jī)車(chē)停止轟鳴，耐低溫型自動(dòng)加氫機(jī)器人伸出搖臂、取出加氫槍、插入機(jī)車(chē)加氫口開(kāi)始加注。20分鐘后，機(jī)車(chē)加氫完畢，加氫機(jī)器人自動(dòng)返回加氫機(jī)……這是耐低溫型自動(dòng)加氫機(jī)器人給重載鐵路氫能源動(dòng)力機(jī)車(chē)加氫的場(chǎng)景。

根據(jù)不同制取方式，氫能可分為綠氫、灰氫、藍(lán)氫、紫氫、金氫等，該加氫站目前使用的是綠氫。所謂綠氫，是指通過(guò)風(fēng)能或太陽(yáng)能等可再生清潔能源發(fā)電，再利用這些清潔電能，以電解水方式制取氫氣。綠氫在制取過(guò)程中基本不產(chǎn)生溫室氣體，是目前氫能發(fā)展的主要趨勢(shì)。

與加油站不同，有了加氫機(jī)器人的助力，鐵路機(jī)車(chē)的整套加氫流程不需要依靠人工即可完成。

田翔宇介紹，耐低溫型自動(dòng)加氫機(jī)器人系統(tǒng)由防爆小屋、防爆機(jī)器人系統(tǒng)、防爆視覺(jué)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。在室外光照條件下，能夠自動(dòng)完成防爆小屋開(kāi)門(mén)、夾取加氫槍、視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別、插入加氫口、自動(dòng)鎖緊加氫槍、拔槍、系統(tǒng)復(fù)位的加氫全過(guò)程。同時(shí)，機(jī)器人還具備高級(jí)別的氫氣防爆，嵌入的主動(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)功能可在加注過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛及環(huán)境情況，能最大程度保證系統(tǒng)及人員安全。

談及加氫站的工作效率，田翔宇給記者列舉了一組數(shù)據(jù)：項(xiàng)目投入運(yùn)行后，加氫能力為500千克/天，儲(chǔ)氫能力為800千克，最大加氫流量達(dá)7.2千克/分鐘。對(duì)于鐵路機(jī)車(chē)來(lái)說(shuō)，氫氣被儲(chǔ)存于車(chē)輛儲(chǔ)氫罐，一般來(lái)說(shuō)一輛氫能調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)的儲(chǔ)氫罐能儲(chǔ)存140千克氫氣，當(dāng)儲(chǔ)氫量小于15千克時(shí)需要進(jìn)行加注。由此推算，500千克/天的加氫能力意味著巴圖塔加氫站一天最多可滿(mǎn)足4輛調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)的加氫需求。

加氫流量越大，效率越高。本項(xiàng)目開(kāi)始前，國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“低碳院”）已經(jīng)研制了35兆帕和70兆帕快速加氫機(jī)，并已在佛山、張家口等16座加氫站商業(yè)化應(yīng)用，連續(xù)無(wú)故障加注超過(guò)9萬(wàn)次，累計(jì)加氫量超過(guò)840噸。在此基礎(chǔ)上，對(duì)大流量加氫過(guò)程進(jìn)行充分理論分析、模擬計(jì)算、反復(fù)試驗(yàn)，最終完成大流量加氫機(jī)研制，最大加氫流量可達(dá)7.2千克/分鐘。

“巴圖塔加氫站的加注速率約是普通加氫站的兩倍。實(shí)際操作中，考慮到前后流量變化等因素，加注完成一組150千克儲(chǔ)氫量的機(jī)車(chē)約需50分鐘，而對(duì)于65千克儲(chǔ)氫量的機(jī)車(chē)來(lái)說(shuō)，加注時(shí)間甚至短于20分鐘?！碧锵栌钫f(shuō)。

“未來(lái)，大流量加氫機(jī)將會(huì)在鐵路、輪船等大容量車(chē)（船）載儲(chǔ)氫場(chǎng)景推廣應(yīng)用。”低碳院氫能（氨能）技術(shù)研究中心氫能儲(chǔ)運(yùn)加技術(shù)部經(jīng)理趙文靜表示，將以當(dāng)前35兆帕壓力等級(jí)、7.2千克/分鐘加注速率為起點(diǎn)，逐步向70兆帕壓力等級(jí)、20千克/分鐘加注速率目標(biāo)延伸探索，實(shí)現(xiàn)更為高效、安全和快速的氫氣加注。

氫氣微泄漏風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)保障加氫站安全運(yùn)行，普通機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)改造即可加氫

儲(chǔ)存和運(yùn)輸，始終是能源利用的技術(shù)難題。氫氣是世界上最輕的氣體，密度小、易燃燒，儲(chǔ)運(yùn)成本高，需要采取嚴(yán)格的運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)和管控措施。

為了保證加氫站的儲(chǔ)氫安全，國(guó)華投資（氫能公司）針對(duì)氫能設(shè)施的安全管控開(kāi)展了一系列技術(shù)攻關(guān)，開(kāi)發(fā)了氫氣微泄漏風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)，包含感氫膠帶+AI視頻識(shí)別技術(shù)+智能巡檢系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)氫氣泄漏問(wèn)題。

“我們會(huì)在易發(fā)泄漏的位置粘貼感氫膠帶，布設(shè)AI智能監(jiān)測(cè)攝像頭，對(duì)重點(diǎn)位置進(jìn)行監(jiān)控。如果出現(xiàn)部件受損或密封失效，感氫膠帶與氫氣接觸，會(huì)產(chǎn)生不可逆的顏色變化，由原來(lái)的淺色變成深黑色。同時(shí)，智能預(yù)警系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行預(yù)警提示，巡檢人員可依據(jù)膠帶顏色精確辨識(shí)泄漏的位置與嚴(yán)重程度，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，以提升巡檢效率，提高加氫站的安全性?！碧锵栌钫f(shuō)。

在正式投入商業(yè)運(yùn)行前，巴圖塔加氫站工作人員重點(diǎn)對(duì)站內(nèi)氫探、火探、緊急停車(chē)等應(yīng)急設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試，并對(duì)專(zhuān)用工具、防護(hù)用品、應(yīng)急物資等進(jìn)行檢查，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)操作模擬演練20余次，充分做好安全保障工作。

目前，巴圖塔加氫站的服務(wù)對(duì)象是國(guó)內(nèi)首臺(tái)大功率氫能源動(dòng)力調(diào)車(chē)機(jī)車(chē)和國(guó)內(nèi)首臺(tái)以“氫燃料電池+鋰電動(dòng)力電池”為動(dòng)力的“零排放”接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)，這兩輛氫能機(jī)車(chē)正式運(yùn)營(yíng)后，每年可減少800噸二氧化碳排放。

“未來(lái)該站亦可為其他類(lèi)型的氫能機(jī)車(chē)進(jìn)行加氫作業(yè)，普通機(jī)車(chē)僅需將機(jī)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)改造為氫燃料電池系統(tǒng)，設(shè)置儲(chǔ)氫裝置即可在該站進(jìn)行加氫?！碧锵栌畋硎?，隨著該加氫站的建成和作業(yè)車(chē)輛的示范運(yùn)行，國(guó)家能源集團(tuán)運(yùn)輸板塊將逐步采用氫燃料電池機(jī)車(chē)代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)，充分發(fā)揮氫能的清潔特性，極大降低機(jī)車(chē)燃油消耗，有效改善機(jī)車(chē)作業(yè)人員的工作環(huán)境。

交通領(lǐng)域是氫能示范應(yīng)用的首要陣地，也被視為氫能產(chǎn)業(yè)成長(zhǎng)的藍(lán)海?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》提出，有序推進(jìn)氫能在交通領(lǐng)域的示范應(yīng)用，不斷提升交通領(lǐng)域氫能應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模。

低碳院氫能（氨能）技術(shù)研究中心氫能儲(chǔ)運(yùn)加技術(shù)部高級(jí)工程師董輝認(rèn)為，氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用具有獨(dú)特的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。“盡管目前氫能的使用成本相對(duì)較高，但隨著技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大等，氫能技術(shù)的成本將逐漸降低。此外，與傳統(tǒng)燃油車(chē)輛相比，氫燃料電池車(chē)輛的使用壽命更長(zhǎng)，維護(hù)成本更低。隨著可再生能源的逐漸普及和氫能技術(shù)的成熟，交通運(yùn)輸行業(yè)可以減少對(duì)有限資源的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的能源供應(yīng)。”

我國(guó)發(fā)展氫能具有良好基礎(chǔ)，也面臨諸多挑戰(zhàn)。綠氫供應(yīng)、氫儲(chǔ)運(yùn)路徑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、氫燃料電池核心技術(shù)裝備、氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)裝備等均有待逐一攻破，未來(lái)還需要不斷探索新技術(shù)、取得新進(jìn)展，開(kāi)創(chuàng)氫能技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化新局面。