5.HRS基本参数的测定

在本节中，将讨论与HRS的设计和操作相关的基本参数。它包含了负有责任的项目经理或启动HRS项目的管理团队需要提出的一系列问题。它进一步提供了一些经验法则，这些经验法则主要来源于NewBusFuel项目中进行的设计研究和项目合作伙伴的意见。这将有助于在项目的早期阶段为未来HRS的技术经济或环境特征制定一些初步估算。

这些信息对于在利益相关者之间达成共识是很重要的，对于政治决策者和资助机构等新合作伙伴也是如此。这些估算也可以用于专注于某些技术选项或操作模式。但是，在项目的早期阶段，根据近似值而忽略未来考虑的替代方案时需要谨慎，因为这些方案可能在后期阶段具有优势。

以下三个小节（5.1至5.3）阐述描述HRS性能的技术，经济和环境参数。在第5.4节中，总结了HRS设计需要考虑的关键问题。图13表示出了HRS处可用的氢气通路所需的组件。

5.1基本技术参数

本节为确定基本技术参数提供帮助，例如，一些参数与氢气需求和HRS的要求有关。由于这些参数之间存在很多相互依赖的关系，它们不能被单独地确定，而应该被视为相互关联的。出于这个原因，一个反复迭代的过程可能很合适。为了达到本文的目的，本节介绍了一些遵循HRS中典型的氢气流动的相关方向，从氢气的生产开始到氢气的分配结束。

5.1.1氢气需求的确定（包括加速策略和额外的氢气需求）

每日氢气需求的相关性

与HRS相关的所有考虑因素所基于的第一个参数是每日所需的氢气数量。在NewBusFuel项目中，所有发达的HRS都是专门的巴士加油站，并且只有一项研究考虑到了汽车加油。尽管与其他氢气消费者的协同作用可能与规划的HRS的技术经济性能相关，但本文仅关注使用氢气为巴士车队提供燃料。有关这方面的更多信息可以在其他来源找到，例如[NextHyLights]。

未来巴士车队的氢气消耗量应尽可能精确地被确定，理想情况下应为平均值以及全年中的最大值。如果估计的数量过高，则会导致HRS产能过剩，并造成HRS的成本和氢气不必要地增加。相反，如果消耗量估计得过低，则不是所有的巴士车都能按预期加油，这可能会影响最初设想的巴士车的运营制度。

每辆公共汽车的日耗氢量

首先，需要评估氢气消耗量。为此，未来车队中燃料电池巴士的类型（例如12米/18米巴士）是一个重要参数，因为它们的氢气消耗量显著不同：在NewBusFuel项目中，12米巴士的消耗量评估范围为9-10公斤氢气/100公里而18米铰接客车的消耗量一般在12-15公斤氢气/100公里范围内（见表3）。为了计算每辆公共汽车的每日氢气需求量，需要将该氢气消耗量乘以一辆燃料电池巴士的预期日常运行范围，这根据个别路线规划的不同可能会有很大差异。在NewBusFuel项目中，由于不同的运营体制，例如城市和城市外巴士路线，日均营运距离从不到200公里到400公里以上不等。然而，大多数研究的运营范围在每天200-300公里范围内，这与每辆公共汽车每天20-30公斤氢气的典型氢气消耗量相符合。有关巴士运营商要求的更多信息，请参见[NBF-D3.2]。

表3-确定每个燃料电池巴士所需氢气量的参数

需要考虑的是，燃料电池公共汽车的氢气消耗取决于许多方面。他们所运营的环境包括地形，平均行驶速度和占有率都会影响燃油消耗。氢能公交运营的气候条件也会对燃油需求产生重大影响，因为冬季供暖和夏季空调需要大量能源，因此会增加氢气消耗。对于12米长的公共汽车，这种额外的燃油消耗量在寒冷条件下为1至2公斤氢气/100公里。在炎热的条件下，空调的能源需求可能会更高。

还必须指出的是，用于燃料电池公共汽车氢气消耗的数值反映了目前和未来的技术。然而，随着未来的发展，氢气消耗预计将进一步下降。根据FCHJU[FCHJU-MAWP]的多年度工作计划，到2023年，预计12米巴士的氢气消耗量将减少到7.6千克氢气/100千米。

并且，使用氢燃料电池作为二次能源的公交，例如通常使用架空电力线的无轨电车或范围扩展（REX）的电动汽车（BEV）巴士，每行驶相应距离所需要的氢气显著减少，这大大减少了每辆公共汽车所需的氢气量，也因此减少了巴士车队每天的氢气总需求量。

车队消耗和上涨设想

确定氢气需求的下一个主要参数显然是车队中的燃料电池巴士车数量以及随着时间的推移规划的车队规模的增加。大多数NewBusFuel研究假设初始车队规模为10-20辆（见表4），目标车队规模通常为50-200辆FC巴士及以上。因此，对于NewBusFuel项目，最初船队规模的日用氢需求预计通常在200-600kg氢气/天的范围内，对于最终船队规模，日需求量在1,000-6,000kg氢气/天之间。

与柴油巴士一样，通常不可能所有的氢气巴士同时在路上行驶。尽管少数研究打算除少数公众假期外，在全年使用他们的燃料电池公共汽车，但大多数研究假设每辆公共汽车运营250至350天。其中会有一些停工时间，例如由于维护活动。巴士服务频率的变化，例如在周末和假期期间，会导致同一时间运行的巴士车队规模的变化。

尽管一些研究打算在几年内如2025年之前达到最终的车队规模，但另一些研究计划的延期时间要超过10年，比如到2030年或甚至到2040年。因此，平均每年的车队扩张数值在不同研究中有很大的区别，介于每年5辆以内和每年20辆以上之间，平均值大约为10辆/年。

值得注意的是，大多数研究并不是每年都会持续扩大氢气巴士车队，而是以2-3个增长步骤为目标，每个步骤平均增加10多辆新的FC巴士车。一些研究甚至考虑在每一步骤中增加超过20辆新巴士。

每个扩展步骤都必须伴随类似的基础设施扩展，因此步骤越少，必要施工措施的频率越少。一次购买大量的FC巴士车可能也会降低单位成本，并避免HRS基础设施未使用的产能过剩。来自NewBusFuel项目的可交付成果3.5解决了应对车队和HRS扩展[NBF-D3.5]的要求和选择。

确定FC巴士车队所需氢气量的参数

表4-确定FC巴士车队所需氢气量的参数

5.1.2加油制度和分配器数量

巴士操作者习惯于缩短柴油巴士的加油时间，并期望燃料电池公共汽车有类似的性能。虽然氢能巴士车可以在很短的时间内加油，但其分配器数量和加油制度相关的问题比柴油巴士车更为复杂。

所有NewBusFuel研究中加油的目标压力为350bar，只有一项研究考虑在700bar的额外压力水平下给乘用车加油。

常用的SAE协议有三种不同的加油模式供氢能巴士车使用，每种都有不同的最大加油速度（见SAEJ2601-1）。缓慢加油允许最高加油速度可达30克/秒（1.8公斤氢气/分钟），正常加油达到60克/秒（3.6公斤/分钟），而快速加油允许最大加油速度为120克/秒（7.2公斤/分钟）。然而，值得注意的是，一辆公共汽车和一组公共汽车的平均加油率可能远低于基于一些参数所选择的加油方式的最大加油率。这些包括汽车油箱内氢气和来自分配器的氢气的温度和压力，环境条件以及油罐系统的设计包括对于可实现的流速以及对加油过程期间氢气的温度变化具有影响的管道[NOW-A]。

在NewBusFuel项目中，为整个车队加油的时间窗口变化很大，但通常在4-6小时范围内为所有氢能巴士车加油。由于车队规模不同，这导致通常需要每小时加油10到40辆以上。由于在一个分配器上所需的背对背加油时间为每辆巴士车大约10-20分钟，因此需要并行安装和使用各种分配器以满足所需的加油机制。

大多数加油活动计划在晚上和晚上进行，巴士服务可以减少，FC巴士可在车库内使用（20％至02.00之间72％-见图12）。延长加油时间减少了必要的分配器的数量，从而降低了所需的投资成本，但同时延长了工作时间和相关人员成本。因此，需要确定一个适当的妥协方案，确保以合理的成本为整个巴士车队加油。

巴士全天加油

图12-NewBusFuel案例研究中巴士全天加油的时间分布

NewBusFuel研究中一个有趣的方法是在一夜之间平行缓慢填充整个巴士车队。这允许使用具有较低性能要求和规格的组件，并且同时仅在开始和完成加燃料过程以将FC巴士与分配器单元连接和断开的时候需要人员。

5.1.3加油的可靠性，冗余性和自主性

由于巴士服务是城市公共交通系统的重要支柱，因此在车队中加装FC巴士的能力至关重要。在NewBusFuel项目中，所有巴士运营商都要求98％-100％的高可用性，平均超过99％。在CHIC项目中，HRS基础设施的可用性水平平均达到97％，达到99％以上，且没有降至94％以下，并且24/7全天候定义可用性[CHIC-最终手册]，[CHIC-D1.5]。

在这种情况下，有必要引入在NewBusFuel项目的任务3.5中被定义的可靠性和可用性这两个术语，这个项目在可交付成果3.6[NBF-D3.6]中进行了总结。

可靠性反映了HRS和巴士运营商按照计划加油的能力。HRS的可靠性取决于成功的加油事件的数量。可用性是实际运行时间与潜在运行时间的比率。潜在的运营时间是商定的加油窗口。如果这些可以在两个计划的加油窗之间实现，这意味着HRS的可用性不会因停机而减少，例如出于维护原因。

提高加油可靠性

加油可靠性的重要性需要对现有的故障风险的详细评估，避免这些风险的策略以及停机时的应对行措施。有很多用于分析和评估与HRS的设计和操作相关的风险的各种方法。在NewBusFuel中，这些包括定制的评估方法或已建立的方法，例如失效模式和影响分析（FMEA）。HRS基础设施的供应商通常使用一套工具，这些工具也可能涵盖风险评估，这些风险评估分析了与安全问题相关的某些故障后果的严重程度，如危害和可操作性研究（HAZOP）或危险识别研究（HAZID）。有关氢气安全措施的更多信息可以在不同的来源中找到，例如[NREL-A]。

有很多能确保较高加油可靠性的措施，其中一个非常普遍的就是冗余组件，通常用作n 1冗余。这是在HRS上安装另一个组件的策略，例如在正常HRS操作所需的压缩机之外的额外压缩机。如果其中一个失败，剩下的可以确保HRS的正常运行。

该策略的另一个优势是可以保留冗余组件，而HRS可以使用其余组件继续正常运行。以前项目的经验表明，特别是压缩机是可能的冗余安装需要考虑的关键组件。他们在CHIC项目[CHIC-最终小册子]，[CHIC-D1.5]，[CHIC-D3.7]中造成了超过50％的HRS停机时间。

另一方面，需要牢记的是，冗余组件会导致故意未使用的产能过剩，从而增加HRS的资本支出（CAPEX）。这对于较小的HRS系统尤为重要，对于这些系统，由一个附加组件引起的相对成本增加高于较大的HRS系统。

在NewBusFuel中，应用了不同的冗余策略。尽管一些研究仅考虑额外的分配器并且不为任何其他模块安装过量产能，但另一些研究也整合额外的压缩机或额外的氢气生产能力。整个HRS设计的n 1冗余策略导致高水平的加油可靠性，但会导致大量的CAPEX，从而增加最终的氢气成本。

氢气储存及其容量是加油可靠性的另一个重要因素。如果储存器中的压力水平远高于母线槽中的压力水平，则可以使用溢流加注而不需要压缩机，其避免了压缩机故障的任何瞬时影响。然而，高压储氢能力相当昂贵，并且由于级联加燃料所需的过剩能力和减少储存器内压力负荷变化以延长其使用寿命（见第2.3.3节），可

全文共22574字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[11594]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word