加氫站氫氣壓縮能耗和冷卻能耗的統(tǒng)計、理論計算和評價分析是確定氫燃料電池汽車用加氫站的能耗和碳排放在交通基礎設施中占比時急需開展的研究工作之一。首先對加氫站氫氣壓縮能耗和冷卻能耗的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，獲得了加氫站壓縮能耗和冷卻能耗的分布范圍以及其所占氫氣低熱值的比例。其次，基于工程熱力學基本理論，推導了加氫站壓縮能耗和冷卻能耗的計算公式，提出了加氫站最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗的概念及其計算方法。最后，提出了基于壓縮能耗系數(shù)和冷卻能耗系數(shù)的加氫站能耗評價方法，并將該方法用于加氫站壓縮和冷卻能耗評價。結(jié)果表明：目前加氫站的壓縮能耗和冷卻能耗占氫氣低熱值的比例約為4.6%～19.3%；加氫站的實際壓縮能耗系數(shù)和冷卻能耗明顯高于其最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗，降低潛力很大。1、加氫站的能耗統(tǒng)計與分析目前國內(nèi)外最常見的加氫站是高壓氫氣加氫站。根據(jù)額定加氣壓力的不同分為35MPa和70MPa兩種。對35MPa加氫站而言，其主要能耗為氫氣的壓縮能耗；對70MPa加氫站而言，其主要能耗為氫氣的壓縮和冷卻能耗。由于壓縮和冷卻裝置幾乎全部使用電能，故可認為加氫站的能耗均為電能消耗，并可采用電能的計量單位kW?h表示。對國外相關文獻進行調(diào)研，其結(jié)果見表1和表2。表1和表2分別為國外加氫站氫氣的壓縮和冷卻能耗等的調(diào)研結(jié)果。這些數(shù)據(jù)主要來自相關示范工程和加氫站的實際能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國雖然也有加氫站的相關示范工程，但尚未見到其實際能耗相關統(tǒng)計數(shù)的公開報道，故表1和表2無我國加氫站的實際能耗數(shù)據(jù)。表1和表2中低壓儲氣瓶壓力pl一列中“-”表示相關文獻沒有有用數(shù)據(jù)，pe和pm依次表示車載儲氣瓶的額定壓力和加氫站儲氫瓶的最高充氣壓力。為了便于了解實際壓縮和冷卻能耗的大小，本文采用實際壓縮能耗Esy和實際冷卻能耗Esl占氫氣低熱值Hl百分比的評價方法，在計算時氫氣的低熱值Hl取為120MJ/kgH2或33.33kW?h/kgH2。表1所列結(jié)果表明：在不同初始壓力和最高壓力下，70MPa加氫站的氫氣實際壓縮能耗在1.53～6.44kW?h/kgH2，占氫氣低熱值的比例（Esy/Hl）為4.6%～19.3%；35MPa加氣站的氫氣實際壓縮能耗在2～4kW?h/kgH2，占氫氣低熱值的比例為6%～12%。由于加氫站氫氣的壓縮受到低壓儲氣瓶壓力、高壓儲氣瓶泄漏量及其連接管路壓力損失、環(huán)境溫度和加氣量等因素影響，因此，不同加氫站的壓縮能耗差異較大，致使部分35MPa加氫站氫氣實際壓縮能耗高于70MPa加氫站的這一不符合常規(guī)的現(xiàn)象。由表2知，70MPa加氫站的氫氣實際冷卻能耗Esl范圍在0.18～1.37kW?h/kgH2，占氫氣低熱值的比例（Esy/Hl）為0.5%～4.2%。由于加氫站氫氣的冷卻能耗受到加氣量及間隔時間、環(huán)境溫度、高低溫系統(tǒng)絕熱性能和冷卻系統(tǒng)啟動性能等因素的影響，因此，不同加氫站的冷卻能耗也出現(xiàn)了巨大差異。表1加氫站氫氣壓縮能耗調(diào)研結(jié)果表270MPa加氫站冷卻能耗Esl調(diào)研結(jié)果值得說明的是，由于目前對加氫站的能耗一般采用單位質(zhì)量的氫氣能耗表示，因此，加氫站氫氣的加氣量對加氫站的能耗影響非常顯著。SamSprik等對2014年3季度至2017年4季度美國34個加氫站的能耗進行了統(tǒng)計，其中高壓氫氣加氫站的統(tǒng)計結(jié)果表明：當氫氣月銷售量高于3500kg時，加氫站的能耗均低于3kW?h/kgH2；氫氣月銷售量低于500kg時，加氫站的能耗最大值達到50kW?h/kgH2；氫氣月銷量小于500kg時，氫氣站的能耗隨月銷量的減少快速上升。從以上加氫站運行中的氫氣實際壓縮能耗運行數(shù)據(jù)來看，加氫站氫氣的壓縮和冷卻能耗占氫氣低熱值的比例不容忽視，減少加氫站的能耗對汽車行業(yè)的節(jié)能減排具有重要作用。2、加氫站氫氣理論壓縮能耗的計算目前加氫站廣泛使用的氫氣壓縮機可分為機械式和非機械式壓縮機兩類，其中機械式壓縮機在加氫站應用最多。對于采用機械式壓縮機的加氫站而言，其氫氣的理論壓縮能耗可以采用熱力學方法計算。由熱力學的基本理論可知，氣體壓縮所需能耗可由圖1所示的氣體壓力-比容（p-v）曲線圖計算得到。圖1中符號p、T、v依次表示氣體的壓力、溫度和比容。若假定氫氣為理想氣體，其壓縮過程為多變指數(shù)等于n的多變過程，則壓縮始點1、壓縮過程任意時刻和壓縮至終點2的氣體狀態(tài)參數(shù)之間的關系如式（1）所列。由初始壓力p1壓縮至終點壓力p2時所需的壓縮功（即理論壓縮能耗）W1-2可采用公式（2）計算。圖1壓縮過程的p-v圖公式（2）可用于計算多變和絕熱壓縮過程的能耗，但無法計算等溫過程的能耗。對于等溫過程（n=1）而言，由初始壓力p1壓縮至終點壓力p2時所需的壓縮功則由公式（3）計算。于是，由公式（2）和（3）即可得到氫氣多變、絕熱和等溫壓縮過程的壓縮能耗。表3列出了n依次為1、1.2和1.4時的理論壓縮能耗，計算時假定壓縮始點壓力和溫度分別為5MPa和288K。為了了解由公式（2）和（3）得到的壓縮能耗的大小，表3中還列出了理論壓縮能耗W1-2占氫氣低熱值Hl的百分比，此處氫氣的Hl取為120MJ/kg。該結(jié)果表明：等溫壓縮過程的壓縮功W1-2最低，絕熱壓縮過程最大，n=1.2的多變過程居中。因此，可以說由公式（3）計算得到的等溫壓縮過程的壓縮能耗W1-2是加氫站實際壓縮能耗的最低極限值，故本文將等溫壓縮過程的壓縮能耗作為加氫站的氫氣理論壓縮能耗，用于評價加氫站實際壓縮能耗的先進性。表3理論壓縮能耗W1-2與n的關系3、加氫站氫氣冷卻能耗的計算SAEJ2601標準規(guī)定，冷卻裝置噴嘴出口處氫氣溫度有0℃、?20℃和?40℃三種。對70MPa的車載氣瓶加氣時，為了保證車載氣瓶能充入足夠質(zhì)量的氫氣，一般要求將氫氣冷卻至?40℃（233.15K）。因此，計算70MPa加氫站中氫氣冷卻能耗時，其初始溫度和終止溫度分別為環(huán)境溫度和?40℃。由熱力學第一定律可知，氫氣冷卻所需最小能耗EL為氫氣環(huán)境溫度下內(nèi)能與?40℃下內(nèi)能之差。氣體的內(nèi)能可視為溫度的函數(shù)，其數(shù)值等于氫氣的溫度與其定容比熱的乘積。故計算EL時，首先需要確定氫氣定容比熱隨溫度變化的經(jīng)驗公式。圖2表示溫度在?48℃至102℃范圍內(nèi)氫氣的定容比熱cv與溫度的關系，菱形記號為由文獻中定壓比熱計算得到的定容比熱值，多項式曲線為定容比熱隨溫度變化的擬合曲線?？梢?，氫氣的定容比熱cv可以用溫度的三次函數(shù)曲線表示，其方程式為：圖2氫氣定容比熱cv與溫度T的關系當氫氣由環(huán)境溫度T冷卻至233.15K（?40℃）時需要的冷卻能耗為：對（5）式積分，即可得到環(huán)境溫度T下的氫氣冷卻到?40℃時理論上所需最小能耗EL（kJ/kgH2）的計算公式（6）。表4列出了由公式（6）計算的把氫氣由環(huán)境溫度t冷卻到?40℃時所需的冷卻能耗?？梢?，隨著t增加，把氫氣從t冷卻到?40℃時所需冷卻能耗增加；當t為40℃時，氫氣冷卻到?40℃時所需冷卻能耗為816.82kJ/kgH2，僅為氫氣低熱值Hl的0.68%。與表3所列壓縮能耗比較，冷卻能耗對加氫站總能耗的影響較小。由于公式（6）計算得到的冷卻能耗沒有考慮冷卻裝置啟動及待機維持低溫時的能量損失，故由公式（6）計算得到的冷卻能耗可以視為加氫站的實際冷卻能耗的最低極限值。表4不同環(huán)境溫度下氫氣冷卻到?40℃時所需能耗4、氫氣壓縮及冷卻能耗的評價參數(shù)及其應用分析表1和表2中所列加氫站氫氣壓縮及冷卻能耗實際統(tǒng)計值，以及所占氫氣低熱值的比例，直觀反映了加氫站實際能耗的高低，便于評價和比較不同加氫站氫氣壓縮及冷卻能耗的水平。但對于同一加氫站而言，特別是實際氫氣壓縮及冷卻能耗處于領先水平或最低水平的加氫站，則無法得知該加氫站的能耗是否還有降低的可能，其節(jié)能潛力還有多大。為了解決上述問題，本文提出了采用壓縮能耗系數(shù)cy和冷卻能耗系數(shù)cl這兩個參數(shù)進行加氫站能耗評價的新型方法。cy和cl分別表示加氫站的實際壓縮和冷卻能耗與其對應條件下最低極限壓縮能耗和冷卻能耗的比值。如cy和cl的數(shù)值為1，則表明加氫站實際的壓縮和冷卻能耗是其最低極限壓縮能耗和冷卻能耗的1倍。顯然，cy和cl的值越大，說明該加氫站的能耗越高，其降低潛力越大。cy和cl可分別由公式（7）和（8）計算：式中，Esy、Esl分別表示加氫站壓縮和冷卻能耗的實際統(tǒng)計值；Ejy、Ejl分別表示由公式（3）和（6）計算得到的最低極限壓縮能耗和最低極限冷卻能耗。此處，應該說明的是：壓縮和冷卻能耗系數(shù)的倒數(shù)1/cy和1/cl也可以用于加氫站的能耗評價，不同的是：cy和cl的最小值為1，而1/cy和1/cl的最大值為1，1/cy和1/cl為最大值時，加氫站的實際壓縮和冷卻能耗與其最低極限壓縮能耗和冷卻能耗相等；另外，1/cy和1/cl的值越小，說明該加氫站的能耗越大，其降低潛力越大。由式（7）和（8），以及壓縮能耗和冷卻能耗最低極限值的含義可知，cy和cl的最小值為1，此時，壓縮能耗和冷卻能耗的實際統(tǒng)計值達到了其最低極限值。cy和cl的數(shù)值越大，說明加氫站實際能耗的降低潛力越大，cy和cl越接近1，說明該加氫站的能耗越小。為了了解運行中的加氫站的實際壓縮能耗和冷卻能耗的水平，表5和表6分別列出了由公式（7）和（8）得到的幾個加氫站的cy和cl的計算結(jié)果。表5列出了5個相關文獻中給出的加氫站Esy、低壓儲氫瓶壓力p1、額定充氣壓力pe和最高充氣壓力p2，以及Ejy和cy的計算結(jié)果。表5中Esy采用了文獻中統(tǒng)計數(shù)據(jù)的中間值；由公式（3）計算Ejy時，p1、p2使用了表5中的數(shù)值。表5所列結(jié)果表明：目前實際運行中的加氫站的cy值在1.53～4.17之間，壓縮能耗最小的加氫站的實際壓縮能耗為其最低極限壓縮能耗的1.53倍，仍然具有降低潛力。壓縮能耗最大的加氫站的實際壓縮能耗為其最低極限壓縮能耗的4.17倍，降低潛力巨大。表5加氫站的壓縮能耗系數(shù)cy表6列出了4個額定加氫壓力均為70MPa加氫站的Esl，以及Ejl和cl的計算結(jié)果。由于相關文獻中沒有冷卻能耗統(tǒng)計階段的環(huán)境溫度數(shù)值，故計算Ejl時環(huán)境溫度采用了標準狀態(tài)的氣體溫度293.15K；Esl為文獻中統(tǒng)計數(shù)據(jù)的中間值。該結(jié)果表明，目前實際運行中的加氫站的cl值在1.12～7.08之間，其變化范圍非常大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有兩點，一是Esl是一段時間之內(nèi)的統(tǒng)計