Analyse zur Kompressorauswahl für verschiedene Arten von Wasserstofftankstellen

Analyse zur Kompressorauswahl für verschiedene Arten von Wasserstofftankstellen

1.Analyse der Wasserstofftankstellentypen

Abhängig von der Wasserstoffquelle, Wasserstofftankstellen kann in Wasserstofftankstellen vor Ort und Wasserstofftankstellen außerhalb des Standorts unterteilt werden. Wasserstofftankstellen vor Ort produzieren Wasserstoff direkt an der Tankstelle durch verschiedene Methoden (z. B. Wasserelektrolyse, Reformierung von Erdgas usw.) und betanken dann Brennstoffzellenfahrzeuge. Diese Methode reduziert die Kosten und die Komplexität des Wasserstofftransports. Externe Wasserstofftankstellen beziehen Wasserstoff von externen Lieferanten, transportieren ihn zur Lagerung mit Tankwagen zur Tankstelle und betanken ihn anschließend. Diese Methode ist häufiger anzutreffen, insbesondere in der Anfangsphase des Aufbaus einer Wasserstoff-Energieinfrastruktur.

Je nach Ausstattungskonfiguration können Wasserstofftankstellen in feste Wasserstofftankstellen und auf Skids montierte Wasserstofftankstellen unterteilt werden. Feste Wasserstofftankstellen sind in der Regel große, dauerhaft errichtete Wasserstofftankstellen, die für Gebiete mit großem und stabilem Wasserstoffbedarf geeignet sind. Auf Skids montierte Wasserstofftankstellen zeichnen sich durch modularen Aufbau und auf Skids montierte Installation aus, lassen sich einfach aufstellen und schnell versetzen und eignen sich für die anfängliche Markterkundung oder vorübergehende Bedarfsfälle.

Entsprechend den unterschiedlichen Betankungsdruckniveaus können Wasserstofftankstellen in 35-MPa-Wasserstofftankstellen, 70-MPa-Wasserstofftankstellen und 35-MPa+70-MPa-Wasserstofftankstellen unterteilt werden. 35-MPa-Wasserstofftankstellen bedienen in der Regel schwere Wasserstoff-Lkw, Müllwagen, Busse und Logistikfahrzeuge. 70-MPa-Wasserstofftankstellen bedienen Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit 70-MPa-Hochdruck-Wasserstoffspeicherflaschen ausgestattet sind, insbesondere Personenkraftwagen. Das gemischte Druckniveau von +35MPa+70MPa-Wasserstofftankstellen kann den Bedarf von Fahrzeugen mit zwei Drücken gleichzeitig decken, was eine größere Flexibilität für Wasserstofftankstellen bietet und sicherstellt, dass Wasserstofftankstellen sich an ein breiteres Spektrum von Wasserstofffahrzeugmärkten anpassen können.

2.1 Membrankompressor

Der Membrankompressor komprimiert Gas durch eine hin- und hergehende Metallmembran. Die Vorteile bestehen darin, dass das Gas vollständig vom Kolben isoliert ist und keine Ölverschmutzung entsteht. Der Membranhohlraum verfügt über eine statische Abdichtung mit geringer Leckrate. Das Gas berührt direkt die Endabdeckung und die Metallmembrangruppe, um einen guten Wärmeübertragungseffekt zu erzielen, der einen sehr hohen Volumenwirkungsgrad sowie eine einfache Wartung und Bedienung erreichen kann. Der Nachteil des Membrankompressors besteht darin, dass er nicht nach Belieben gestartet oder gestoppt werden kann, der Kompressor leicht vibriert und ein spezielles Konstruktionsfundament erforderlich ist. Aufgrund seines hohen Durchsatzes, des geringen Stromverbrauchs und des geringen Kühlbedarfs hat es sich bei Wasserstoffanwendungen als sehr effektiv erwiesen und wird üblicherweise in festen Wasserstofftankstellen eingesetzt, die einen Langzeitbetrieb und hohe Anforderungen an die Wasserstoffreinheit erfordern.

2.2 Flüssigkeitsbetriebener Kolbenkompressor

Der flüssigkeitsbetriebene Kolbenkompressor ist ein Prozess, bei dem das Hydrauliköl den Kolben des Hydraulikzylinderkörpers antreibt und den auf derselben Kolbenstange installierten Gaskompressionskammerkolben in eine Hin- und Herbewegung versetzt, wodurch der Prozess der Gasansaugung und -abfuhr realisiert wird. Der Vorteil besteht darin, dass durch den Einsatz eines hydraulischen Antriebs ohne Pleuelbewegung der Kurbelwelle eine Anpassung an häufige Start-Stopp-Bedingungen möglich ist, die Kompressionsfrequenz niedrig und die Vibration gering ist und die Anforderungen an das Kompressorfundament nicht hoch sind.

Der Nachteil des flüssigkeitsbetriebenen Kolbenkompressors besteht darin, dass der einstufige Kompressor niedrig ist, der Kühlbedarf hoch ist und bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens zwangsläufig Verschleiß auftritt, was dazu führt, dass Staubpartikel die Reinheit des Wasserstoffs verunreinigen die Leckage ist höher als beim Membrankompressor. Die Kolbenzylinderteile sind groß und aufwändig zu reparieren und auszutauschen. Da seine Kosten an häufige Start-Stopp-Bedingungen angepasst sind und nur geringe Anforderungen an das Gerätefundament stellen, wird es üblicherweise in auf Skids montierten Wasserstofftankstellen oder mobilen Wasserstofftankstellen eingesetzt, die keinen Langzeitbetrieb erfordern.

2.3 Flüssigkeitsbetriebener Membrankompressor

Der flüssigkeitsbetriebene Membrankompressor verwendet ein einstufiges Doppelmembran-Kompressionsschema und ein Antriebsschema „Hydraulikpumpe + Drehumkehrventil“. Der Vorteil besteht darin, dass die Hydraulikpumpe das Hydrauliköl antreibt, anstatt dass der herkömmliche Kolben und die Kurbel-Pleuelstange das Hydrauliköl antreiben, wodurch die Kolbenbaugruppe, die Kurbel-Pleuel-Mechanismus-Baugruppe, die Kurbelwelle und andere mechanische Getriebeteile reduziert werden und die Anordnung größer ist kompakt.

Es vereint die Vorteile der hohen Abdichtung und ölfreien Verschmutzung von Membrankompressoren mit den Vorteilen flüssigkeitsbetriebener Kolbenkompressoren bei der Anpassung an häufiges Starten und Stoppen. Der Nachteil des flüssigkeitsbetriebenen Membrankompressors besteht darin, dass die Notwendigkeit, zwei Membranköpfe zu verwenden, das Risiko eines Membranbruchs erhöht und der Druck der Hydraulikölpumpe höher sein muss als der Abgasdruck, was hohe Anforderungen an die Dichtleistung des Ölkreislaufs stellt. Derzeit ähnelt der flüssigkeitsbetriebene Membrankompressor dem flüssigkeitsbetriebenen Kolbenkompressor und wird hauptsächlich in auf Skids montierten Hydrierstationen oder mobilen Hydrierstationen eingesetzt. Die allgemeinen Spezifikationen und Parameter des flüssigkeitsbetriebenen Membrankompressors ähneln denen des Membrankompressors.

3. Fazit

Wasserstoffkompressoren für Wasserstofftankstellen haben hinsichtlich Hubraum, Arbeitsdruck, Wartungszyklus und spezifischer Leistung große Fortschritte gemacht und den technischen Abstand zu ausländischen Produkten kontinuierlich verringert. Inländische Wasserstoffkompressoren haben nach und nach ausländische Produkte ersetzt. Von den oben genannten typischen Beispielen für Wasserstofftankstellen haben Membrankompressoren und flüssigkeitsbetriebene Kompressoren in ihren jeweiligen Anwendungsszenarien relativ gute Betriebsergebnisse erzielt. Der flüssigkeitsbetriebene Haushaltskompressor mit 90 MPa wurde erfolgreich entwickelt, es gibt jedoch noch keine kommerziellen Anwendungsfälle. Es besteht immer noch eine große Lücke zwischen Kompressionstechnologien wie Hochdruck-Kolbenkompressoren, Kompressoren für ionische Flüssigkeiten und Metallhydridkompressoren und ausländischen Technologien. Technologieiteration und Markttests sind wichtige Entwicklungsrichtungen der Zukunft.

In der aktuellen Bauphase sollten sich Wasserstofftankstellenkompressoren auf die Nutzungsreife, das Wasserstoffkompressionsverhältnis, die Betriebszustandsstabilität und den projektbezogenen Betrieb konzentrieren. In den Szenarien von ortsfesten Wasserstofftankstellen für die Wasserstoffproduktion außerhalb des Standorts und Wasserstofftankstellen für die Wasserstoffproduktion vor Ort können zunächst Membrankompressoren eingesetzt werden. In den Szenarien von auf Skids montierten Wasserstofftankstellen und 90-MPa-Wasserstofftankstellen, bei denen die Füllhäufigkeit relativ gering ist und häufiges Starten und Stoppen erforderlich ist, kann flüssigkeitsbetriebenen Kompressoren Vorrang eingeräumt werden.