巴圖塔加氫站全景。 國家能源集團供圖

氫能，是氫和氧進行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能，具有來源豐富、燃燒熱值高、清潔無污染等特點。近年來，氫能被應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活各方面，不少大型城市開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，我國首個重載鐵路加氫站——國家能源集團國華投資蒙西分公司巴圖塔加氫站正式投入商業(yè)運營。這標志著中國氫能技術(shù)的重大突破，為推動氫能與重載鐵路、氫能與自動加氫機器人、氫能與大流量加氫機的深入融合，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。

巴圖塔加氫站是如何工作運行的？它的建成投運將為我國交通運輸業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型帶來哪些助力？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)的我國首個重載鐵路加氫站。

我國首個重載鐵路加氫站——巴圖塔加氫站的站內(nèi)設(shè)備。

沒有污染物排放、不用重新架設(shè)取電網(wǎng)，氫能被首次運用于我國鐵路運輸行業(yè)

“喝”的是氫氣，排的是水蒸氣。氫具有燃燒熱值高的特點，約是同質(zhì)量汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。通過燃料電池可實現(xiàn)綜合轉(zhuǎn)化效率90%以上，具有很高的經(jīng)濟性。此外，氫燃燒的產(chǎn)物只有水，沒有污染物及碳排放，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，氫能逐漸成為替代傳統(tǒng)化石能源的重要選項，我國在這一領(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。

“加氫站是指專門為氫能源汽車、鐵路機車等交通工具提供加氫服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，通過將氫氣注入氫能源汽車、鐵路機車中，使其產(chǎn)生電能來推動汽車、機車運行，實現(xiàn)零排放。”巴圖塔加氫站氫能專業(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式加氫站；按氫氣來源的不同，加氫站可分為站外制氫加氫站和制氫加氫合建站；按氫氣存儲狀態(tài)的不同，加氫站可分為高壓氣氫加氫站和液氫存儲型加氫站；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，我國以428座加氫站處于領(lǐng)先地位。加氫站可以為小型汽車、貨車、重卡、客車、輪船等交通工具加氫，而氫能在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用，巴圖塔加氫站在國內(nèi)尚屬首次。

氫能+重載鐵路，兩者為何結(jié)合？“國家能源集團有兩千多公里的自營重載鐵路，主要用于運輸煤礦、化工產(chǎn)品等大型原材料貨物。一直以來，我們使用的軌道車和大型養(yǎng)路機械主要采用大功率柴油發(fā)動機作為動力源，存在能耗高、尾氣污染大、噪音大等問題。”田翔宇說，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踐嘗試。

田翔宇介紹，巴圖塔加氫站的主要工作原理是通過加氫站壓縮機把外購的氫氣最高增壓至43.5兆帕，注入儲罐儲存；當(dāng)重載鐵路作業(yè)機車需要加氫時，通過自主開發(fā)的智慧站控系統(tǒng)和自動加氫機器人實現(xiàn)對作業(yè)車輛的自動加氫。從配置來看，加氫站共有1臺長管拖車、1臺45兆帕撬裝壓縮機、1臺大流量加氫機、1臺冷水機組、1臺15立方米氫氣儲氣瓶組，配套設(shè)站控系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、防爆墻、氮氣系統(tǒng)及放散系統(tǒng)等。

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

為什么要給儲罐加壓？“一是為了儲氫，二是為了加氫。”田翔宇解釋道，“氫氣的分子量很小，在常壓下儲量會很低。此外，加氫站給火車加氫的過程，就是高壓力容器往低壓力容器注氣以平衡壓力的過程，所以只有當(dāng)儲罐的壓力高于火車氫燃料儲存容器的壓力，才能順利實現(xiàn)加氫。”

國內(nèi)首臺氫氣品質(zhì)移動檢測車在巴圖塔加氫站內(nèi)進行全過程氫氣品質(zhì)檢測。

耐低溫型自動加氫機器人助力，20分鐘可加注完成一輛65千克儲氫量機車

“咔”的一聲，隨著氫能源動力機車停止轟鳴，耐低溫型自動加氫機器人伸出搖臂、取出加氫槍、插入機車加氫口開始加注。20分鐘后，機車加氫完畢，加氫機器人自動返回加氫機……這是耐低溫型自動加氫機器人給重載鐵路氫能源動力機車加氫的場景。

根據(jù)不同制取方式，氫能可分為綠氫、灰氫、藍氫、紫氫、金氫等，該加氫站目前使用的是綠氫。所謂綠氫，是指通過風(fēng)能或太陽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。

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

田翔宇介紹，耐低溫型自動加氫機器人系統(tǒng)由防爆小屋、防爆機器人系統(tǒng)、防爆視覺系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)構(gòu)成。在室外光照條件下，能夠自動完成防爆小屋開門、夾取加氫槍、視覺系統(tǒng)識別、插入加氫口、自動鎖緊加氫槍、拔槍、系統(tǒng)復(fù)位的加氫全過程。同時，機器人還具備高級別的氫氣防爆，嵌入的主動識別風(fēng)險功能可在加注過程中實時監(jiān)測車輛及環(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)：項目投入運行后，加氫能力為500千克/天，儲氫能力為800千克，最大加氫流量達7.2千克/分鐘。對于鐵路機車來說，氫氣被儲存于車輛儲氫罐，一般來說一輛氫能調(diào)車機車的儲氫罐能儲存140千克氫氣，當(dāng)儲氫量小于15千克時需要進行加注。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足4輛調(diào)車機車的加氫需求。

加氫流量越大，效率越高。本項目開始前，國家能源集團北京低碳清潔能源研究院（以下簡稱“低碳院”）已經(jīng)研制了35兆帕和70兆帕快速加氫機，并已在佛山、張家口等16座加氫站商業(yè)化應(yīng)用，連續(xù)無故障加注超過9萬次，累計加氫量超過840噸。在此基礎(chǔ)上，對大流量加氫過程進行充分理論分析、模擬計算、反復(fù)試驗，最終完成大流量加氫機研制，最大加氫流量可達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150千克儲氫量的機車約需50分鐘，而對于65千克儲氫量的機車來說，加注時間甚至短于20分鐘?！碧锵栌钫f。

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

巴圖塔加氫站工作人員對站內(nèi)設(shè)備進行巡檢。

氫氣微泄漏風(fēng)險管控系統(tǒng)保障加氫站安全運行，普通機車經(jīng)過改造即可加氫

儲存和運輸，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，儲運成本高，需要采取嚴格的運輸標準和管控措施。

為了保證加氫站的儲氫安全，國華投資（氫能公司）針對氫能設(shè)施的安全管控開展了一系列技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了氫氣微泄漏風(fēng)險管控系統(tǒng)，包含感氫膠帶+AI視頻識別技術(shù)+智能巡檢系統(tǒng)，用于監(jiān)測氫氣泄漏問題。

“我們會在易發(fā)泄漏的位置粘貼感氫膠帶，布設(shè)AI智能監(jiān)測攝像頭，對重點位置進行監(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，會產(chǎn)生不可逆的顏色變化，由原來的淺色變成深黑色。同時，智能預(yù)警系統(tǒng)也會進行預(yù)警提示，巡檢人員可依據(jù)膠帶顏色精確辨識泄漏的位置與嚴重程度，及時采取應(yīng)對措施，以提升巡檢效率，提高加氫站的安全性。”田翔宇說。

在正式投入商業(yè)運行前，巴圖塔加氫站工作人員重點對站內(nèi)氫探、火探、緊急停車等應(yīng)急設(shè)備進行了調(diào)試，并對專用工具、防護用品、應(yīng)急物資等進行檢查，開展了現(xiàn)場操作模擬演練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)對象是國內(nèi)首臺大功率氫能源動力調(diào)車機車和國內(nèi)首臺以“氫燃料電池+鋰電動力電池”為動力的“零排放”接觸網(wǎng)作業(yè)車，這兩輛氫能機車正式運營后，每年可減少800噸二氧化碳排放。

“未來該站亦可為其他類型的氫能機車進行加氫作業(yè)，普通機車僅需將機車的動力系統(tǒng)改造為氫燃料電池系統(tǒng)，設(shè)置儲氫裝置即可在該站進行加氫?！碧锵栌畋硎荆S著該加氫站的建成和作業(yè)車輛的示范運行，國家能源集團運輸板塊將逐步采用氫燃料電池機車代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機車，充分發(fā)揮氫能的清潔特性，極大降低機車燃油消耗，有效改善機車作業(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)成長的藍海?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》提出，有序推進氫能在交通領(lǐng)域的示范應(yīng)用，不斷提升交通領(lǐng)域氫能應(yīng)用市場規(guī)模。

低碳院氫能（氨能）技術(shù)研究中心氫能儲運加技術(shù)部高級工程師董輝認為，氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用具有獨特的經(jīng)濟優(yōu)勢。“盡管目前氫能的使用成本相對較高，但隨著技術(shù)進步、生產(chǎn)規(guī)模擴大等，氫能技術(shù)的成本將逐漸降低。此外，與傳統(tǒng)燃油車輛相比，氫燃料電池車輛的使用壽命更長，維護成本更低。隨著可再生能源的逐漸普及和氫能技術(shù)的成熟，交通運輸行業(yè)可以減少對有限資源的依賴，實現(xiàn)更加可持續(xù)的能源供應(yīng)?！?/p>

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

巴圖塔加氫站內(nèi)的加氫機器人正在對氫能源動力機車進行加氫作業(yè)。