濟南市氫燃料電池公交車示范運行項目的實施與效益

張小鵬 田 甜 劉 杰 段生贊

（1.濟南公共交通集團有限公司,濟南 250013；2. 濟南市城市交通研究中心有限公司，濟南 250014；3.四川宏達石油天然氣工程有限公司，成都 611700）

為推動濟南市氫燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展，按照市委市政府部署，濟南公交集團主動承擔氫燃料電池公交車示范運行項目，積極探索產業(yè)協(xié)同發(fā)展，踐行新舊動能轉換、綠色發(fā)展理念，帶動引領濟南市氫能產業(yè)在公交領域推廣示范應用。

1 濟南市氫燃料電池公交車示范運行項目總體介紹

氫能產業(yè)作為能源變革發(fā)展的先導產業(yè)，加快其發(fā)展已成為推動新舊動能轉換、謀求未來競爭新優(yōu)勢、搶占新能源技術制高點的重大舉措。山東省及濟南市先后出臺多個指導文件，旨在推動以濟南市為核心的山東氫能產業(yè)發(fā)展。濟南公交集團積極推動氫燃料電池公交車示范運行項目，2019年以來，先后投入10.5m氫燃料電池公交車60輛，開通K115路5G氫能公交線路等3條示范線路，配套建設一座1000kg大型公交加氫站。

1.1 示范線路開通情況

2019年11月24日，首批10輛10.5m氫燃料電池公交車投入K115路示范運行（圖1），由唐冶公交樞紐至經八路青年西路，單程21.3km。12月19日，實現(xiàn)K115路沿線5G網絡全覆蓋和車輛智能在線監(jiān)控，成為國內首條5G氫能公交線路（圖2）。2020年4月，投運第二批30輛氫燃料電池公交車。在K10路支線示范運行，由柿子園公交車場至花園路二環(huán)東路，單程28.7km。8月23日，為進一步加強主城區(qū)與章丘區(qū)的聯(lián)系，開通了300路氫燃料電池示范公交線路，線路單程28km。

圖1 濟南首條氫燃料電池公交示范線路開通儀式

圖2 濟南氫能公交車5G+智能在線監(jiān)控

1.2 示范線路運營情況

2020年，濟南市氫燃料電池公交車示范運行111.7萬km，累計運送乘客151.2萬人次，加氫34.3t（氫能運行45.1萬km），外充電53.8萬kWh，示范運營效果良好。省市領導帶頭體驗乘坐氫能公交車輛，先后開展院士乘公交、“暢享氫生活”乘車體驗等活動，新聞媒體多次宣傳報道，廣大市民爭相乘坐體驗。

2 氫燃料電池公交車技術性能與配置

示范項目采用二級踏步燃料電池公交車，車長10.5m，額定載客81人，平均運行氫耗7.6kg/100km，續(xù)駛約280km。整車采用輕量化設計，全承載鋁車身結構，配置全盤式制動、空氣懸架系統(tǒng)、無油活塞電動空壓機、單冷電動空調、壁掛式電暖風系統(tǒng)等。燃料電池發(fā)動機采用石墨電堆，額定功率46/50kW，體積功率密度2.5kW/L，效率可達59%，-15℃可低溫啟動。儲氫瓶組為6只35MPa、140L鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶，儲氫量21kg，高 壓 管 路、接頭、閥件和安全防護預警系統(tǒng)采用模塊化整體設計。車載109kWh液冷式磷酸鐵鋰動力電池，車輛具備純電運行功能。為提高安全性能，高壓線束采用專用絕緣耐壓達3000V的阻燃橡膠導線，配備車輛絕緣檢測儀，實時檢測顯示絕緣值，低于閾值自動報警提示。車載智能監(jiān)控終端具有定位、視頻監(jiān)控、遠程通信、車輛數(shù)據(jù)采集、智能輔助安全防御等功能。

3 高標準建設公交加氫站，提高加氫保障能力

根據(jù)濟南市加氫站發(fā)展規(guī)劃，選定在濟南市歷城區(qū)韓倉公交樞紐場站內建設“濟南公交第一加氫站”（圖3）。該站站區(qū)面積3129m2，建筑面積403m2，設計日加注1000kg/12h@35MPa，可滿足50-100輛氫能公交車加氫需求，每車次加注時間縮短到10min以內。站內分三個功能區(qū)，即高壓設備區(qū)、加氫區(qū)、營業(yè)及控制區(qū)。主要配備：2臺500kg級氫氣壓縮機、獨立冷卻系統(tǒng)、氮氣系統(tǒng)；2個氫氣瓶組和1個固定儲氫長管拖車，2個卸氣柱，順序控制系統(tǒng)，儲氫總容量為893.78kg；4臺加氫機、8個大型公交車加氫位，雙進雙出加氫通道，智能站控系統(tǒng)，315kVA獨立供電箱變。

圖3 濟南公交第一加氫站（韓倉）效果圖

4 氫燃料電池公交車及加氫站的安全運行

4.1 創(chuàng)新開展氫燃料電池公交車運行維護研究，確保車輛安全運行

一是濟南公交參與制定兩個山東省地方標準，即DB37/T 4060-2020《氫燃料電池電動汽車運行規(guī)范》和DB37/T 4096-2020《車載氫系統(tǒng)氣密性檢測和置換技術要求》，用以指導規(guī)范氫能車輛日常運行以及車載氫系統(tǒng)氣密性檢測和置換要求，從運行基本條件、運行中危害預防、燃料電池系統(tǒng)和車載供氫系統(tǒng)的日常點檢和維護、車輛啟動、車輛停放與存放、氫燃料加注、系統(tǒng)檢測、應急預案與演練等加以明確。二是開展氫能車輛壓力容器、電工作業(yè)等特種作業(yè)培訓，針對疫情防控新特點，采取校企聯(lián)合、線上線下結合、特種作業(yè)操作培訓和職業(yè)技能培訓相結合、小班化教學等培訓新模式，克服疫情困難，提高車輛管理人員、檢驗人員、維修人員的特種作業(yè)實操技能。三是規(guī)范氫能車輛使用維護管理工作。還制定了濟南公交集團《氫燃料電池公交車燃料電池系統(tǒng)（濰柴WEF46）維護技術規(guī)范（暫行）》，嚴格執(zhí)行車輛維護技術標準，定期進行車輛技術狀況和安全檢查。

4.2 積極探索公交加氫站建設新模式，引入優(yōu)勢資源，提供有力支撐

濟南公交集團聯(lián)合重汽集團共同推進加氫站建設工作。采用業(yè)主監(jiān)督+委托建設+EPC實施體系，集聚省內優(yōu)質氫能產業(yè)資源，采用威海豪頓華成套氫氣設備、重汽危險品運氫車、濟南明泉集團氫氣氣源、公交自有?；愤\輸車隊等。示范運行公交車由重汽生產，采用濰柴氫燃料電池發(fā)動機。

4.3 探索協(xié)同推進機制，優(yōu)化加氫站審批流程

項目實施初期，濟南市加氫站建設政策尚未出臺，存在主管單位不明確，審批流程無法落實的情況。本項目積極推進促成濟南市出臺《關于推進我市汽車加氫站規(guī)劃建設運營管理工作的實施意見》（濟政辦發(fā)〔2020〕32號）。建立分級管理、并行推進、容缺辦理機制，各責任主體負責項目不定期開展現(xiàn)場督查和專題協(xié)調，會商解決發(fā)展中的問題。同時跟蹤推進，動態(tài)分析解決。全面推廣標準化管理，各單位加強安全質量等標準化管理工作，夯實項目建設、監(jiān)理、施工等參建單位安全和質量管控措施，加強檢查監(jiān)督，確保工程質量安全可靠。

4.4 多舉措、多層次的安全設計，為加氫站安全運行保駕護航

氫氣易燃易爆的特性，決定其工藝設計、安全條件的嚴苛性。這就要求該項目的設計單位、設備供應商及施工單位具有豐富的設計業(yè)績和先進的安全管理理念，其主要創(chuàng)新措施如下。

（1）加氫站項目實行事故風險分析（ARA）、危害與可操作性分析（HAZOP）、爆炸危險評估等量化風險分析手段，保證加氫站安全運行。項目設計采取多級安全防護墻、隔音屏等設施降低危害和影響；工藝系統(tǒng)采用多層次、互相獨立的可操作性分析，完善工藝、設備安全設計，嚴格管控不安全狀態(tài)和行為。

（2）創(chuàng)新設計三級報警聯(lián)鎖管理，確保加氫站安全運行。即實行整站聯(lián)鎖、回路聯(lián)鎖、單體設備三級控制系統(tǒng)。第一級為整站緊急切斷，自動（或手動）實現(xiàn)全站自動緊急切斷（ESD）停車。觸發(fā)后，報警并立即停止全站關鍵部位設備運行。第二級為設備保護切斷聯(lián)鎖，單套設備自身運行異常、越限，執(zhí)行設備級聯(lián)鎖關斷。第三級為單套運行的壓縮機自身運行異常、越限，執(zhí)行機組單獨停車。

（3）創(chuàng)新實行加氫站站區(qū)無人值守設計，打造不依賴人的本質安全系統(tǒng)。項目設計考慮最大化不依靠人力解決項目實際操作問題，以杜絕氫氣泄漏為基本設計要求，即使出現(xiàn)漏氣也應避免產生燃燒爆炸現(xiàn)象。在出現(xiàn)氫氣泄漏并產生燃燒的極端情況時，也能實現(xiàn)定向排放。關鍵部位設置氣體泄漏連鎖報警、閥門內漏報警，零部件使用全生命周期檢測記錄，同時設計了誤操作聯(lián)鎖功能。

（4）運用工業(yè)互聯(lián)網搭建大數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)加氫站高效運行。該項目加氫站設備巡檢系統(tǒng)采用復雜工業(yè)設備場景巡檢系統(tǒng)。預先制定巡檢規(guī)劃，按計劃任務安排并執(zhí)行設備巡檢。設備實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠實時在線監(jiān)測，具備曲線分析、事件回放、溯源等多種故障診斷。氣瓶監(jiān)控系統(tǒng)對整個充裝過程實施監(jiān)管，涵蓋氣瓶安全監(jiān)管、充裝合規(guī)性監(jiān)管、過程監(jiān)管、非正常充裝預警功能。

5 濟南市氫燃料電池公交車示范運行項目實施的環(huán)境效益與經濟效益

5.1 氫能作為終極能源解決方案，環(huán)境效益突出

氫氣在電堆內進行的是電化學反應，生成的是水，不產生任何污染物。該項目建成后，配套的60輛氫燃料電池公交車預計年運行里程為410萬km。對標同類型燃油公交車，可減少排放大氣污染物總量為41.3t，其中氮氧化物（如NO2）9.7t，二氧化硫11.3t，煙塵20.3t，將為濟南市乃至山東省的“碳中和”貢獻重要力量。

5.2 經濟效益顯著

項目實施前，濟南市氫燃料公交車示范運行采用上游淄博市車用氫氣，在章丘區(qū)中國重汽撬裝站加注，公交車加氫價格高昂，2019年為109元/kg， 2020年略有下降仍高達68元/kg。本項目加氫站投用后，可同步采用濟南明泉集團工業(yè)副產氫提純?yōu)檐囉脷錃庾鳛槟刚練庠矗?021年2月已建成技改提升項目），通過濟南公交第一加氫站給60輛氫燃料電池公交車加氫，經初步核算，明泉集團與濟南公交集團通過戰(zhàn)略合作方式，使公交車終端加氫價可大幅下降為35元/kg。僅此一項每年可節(jié)約氫燃料電池公交車運行燃料費用約1000萬元。10.5m氫燃料電池公交車相比同類燃油公交車的燃料費將縮小到可承受區(qū)間，見附表。

附表 濟南公交不同車型能源消耗對比表

隨著氫燃料電池公交車示范運行規(guī)模不斷擴大，未來氫能運行成本必將進一步下降，趨近于柴油車的運行成本。而氫能的環(huán)境效益獨特優(yōu)勢必將凸顯，進而帶動整個產業(yè)的蓬勃發(fā)展，最終實現(xiàn)經濟效益與環(huán)境效益雙贏。

6 氫能示范項目帶動效果顯著

（1）本項目建成后將成為以濟南為牽頭城市申報國家氫能利用示范城市的重要基石。對落實濟南1+5+4氫能城市群發(fā)展規(guī)劃具有典型的示范帶動 意義。

（2）本項目推動形成了濟南市加氫站規(guī)劃建設運營管理工作實施意見，對指導各市鼓勵支持加氫站發(fā)展和氫能公交車示范運行，大膽先行先試，優(yōu)化加氫站審批流程，具有帶動示范意義。

（3）本項目具有良好的社會效益，建成后可以緩解濟南市日益緊張的公共交通矛盾，調整綠色能源結構，減少車輛排放污染，改善空氣質量，有效提升節(jié)能減排效果。

（4）項目建成后將優(yōu)化我市氫能營商環(huán)境，促進精準招商，吸引氫能產業(yè)的整車研發(fā)、關鍵系統(tǒng)項目落戶濟南，超前布局加氫站點，起到氫能源汽車示范應用支撐引領作用。