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我國首個重載鐵路加氫站——巴圖塔加氫站的站內(nèi)設(shè)備。

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(jìn)行全過程氫氣品質(zhì)檢測。

巴圖塔加氫站工作人員對站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行巡檢。

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

巴圖塔加氫站全景。 國家能源集團(tuán)供圖

氫能，是氫和氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)釋放出的化學(xué)能，具有來源豐富、燃燒熱值高、清潔無污染等特點(diǎn)。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(tuán)國華投資蒙西分公司巴圖塔加氫站正式投入商業(yè)運(yùn)營。這標(biāo)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(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)將為我國交通運(yùn)輸業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型帶來哪些助力？現(xiàn)在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。

沒有污染物排放、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(xiàng)，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(jī)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(jī)車中，使其產(chǎn)生電能來推動汽車、機(jī)車運(yùn)行，實(shí)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(tuán)有兩千多公里的自營重載鐵路，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，我們使用的軌道車和大型養(yǎng)路機(jī)械主要采用大功率柴油發(fā)動機(jī)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(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加氫站壓縮機(jī)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(jī)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(jī)器人實(shí)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(jī)、1臺大流量加氫機(jī)、1臺冷水機(jī)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?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(shí)現(xiàn)加氫。”

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

“咔”的一聲，隨著氫能源動力機(jī)車停止轟鳴，耐低溫型自動加氫機(jī)器人伸出搖臂、取出加氫槍、插入機(jī)車加氫口開始加注。20分鐘后，機(jī)車加氫完畢，加氫機(jī)器人自動返回加氫機(jī)……這是耐低溫型自動加氫機(jī)器人給重載鐵路氫能源動力機(jī)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(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(jī)器人的助力，鐵路機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)由防爆小屋、防爆機(jī)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(jī)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(shí)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(xiàng)目投入運(yùn)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(dá)7.2千克/分鐘。對于鐵路機(jī)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(jī)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(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足4輛調(diào)車機(jī)車的加氫需求。

加氫流量越大，效率越高。本項(xiàng)目開始前，國家能源集團(tuán)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(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)無故障加注超過9萬次，累計(jì)加氫量超過840噸。在此基礎(chǔ)上，對大流量加氫過程進(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150千克儲氫量的機(jī)車約需50分鐘，而對于65千克儲氫量的機(jī)車來說，加注時間甚至短于20分鐘。”田翔宇說。

“未來，大流量加氫機(jī)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(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、7.2千克/分鐘加注速率為起點(diǎn)，逐步向70兆帕壓力等級、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)險管控系統(tǒng)保障加氫站安全運(yùn)行，普通機(jī)車經(jīng)過改造即可加氫

儲存和運(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(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(jìn)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(yán)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(yùn)行前，巴圖塔加氫站工作人員重點(diǎn)對站內(nèi)氫探、火探、緊急停車等應(yīng)急設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試，并對專用工具、防護(hù)用品、應(yīng)急物資等進(jìn)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(jī)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(jī)車正式運(yùn)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(jī)車進(jìn)行加氫作業(yè)，普通機(jī)車僅需將機(jī)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(jìn)行加氫。”田翔宇表示，隨著該加氫站的建成和作業(yè)車輛的示范運(yùn)行，國家能源集團(tuán)運(yùn)輸板塊將逐步采用氫燃料電池機(jī)車代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車，充分發(fā)揮氫能的清潔特性，極大降低機(jī)車燃油消耗，有效改善機(jī)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(lán)海。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(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)用市場規(guī)模。

低碳院氫能（氨能）技術(shù)研究中心氫能儲運(yùn)加技術(shù)部高級工程師董輝認(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。“盡管目前氫能的使用成本相對較高，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)燃油車輛相比，氫燃料電池車輛的使用壽命更長，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)可以減少對有限資源的依賴，實(shí)現(xiàn)更加可持續(xù)的能源供應(yīng)。”

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(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(jìn)展，開創(chuàng)氫能技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化新局面。