寫稿
投稿
在碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的指引下，氫能發(fā)展雖然進(jìn)入了快車道，但仍受到氫運(yùn)輸規(guī)模小、成本高的制約。利用天然氣管網(wǎng)輸送氫氣具有資金投入少、氫氣輸送距離長(zhǎng)、氫氣輸送量可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)輸方式，潛力巨大。受到歐美主要國(guó)家的普遍關(guān)注。
我國(guó)應(yīng)密切關(guān)注該領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)和突破，盡早部署相關(guān)技術(shù)裝備研發(fā)，積極探索天然氣管網(wǎng)氫氣輸送系統(tǒng)解決方案，突破輸送瓶頸。
天然氣管網(wǎng)輸氫技術(shù)探索
氫能是一種清潔的二次能源，可以實(shí)現(xiàn)能源跨部門、跨時(shí)間、跨地域的靈活轉(zhuǎn)移，減少風(fēng)、光、水的浪費(fèi)，在能源轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮系統(tǒng)作用，助力能源、交通、行業(yè)等行業(yè)的深度脫碳。隨著各國(guó)碳中和目標(biāo)的出臺(tái)，減碳的緊迫性驟然增加，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將進(jìn)入快車道，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈“產(chǎn)、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用”五個(gè)主要環(huán)節(jié)中，氫運(yùn)輸規(guī)模小、成本高的現(xiàn)狀亟待改變。
氫運(yùn)輸規(guī)模小、成本高是目前制約氫能發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)。目前，氫氣的運(yùn)輸方式主要有長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸、管道運(yùn)輸和液氫罐車運(yùn)輸三種。
長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸高壓氫氣作為我國(guó)主流的氫氣運(yùn)輸方式，但每輛車的氫氣運(yùn)輸量?jī)H為200-300公斤，僅占車輛總重量的1%-2%。長(zhǎng)管拖車，運(yùn)輸效率低。200km距離運(yùn)輸氫氣的成本高達(dá)11元/kg左右，與煤制氫成本相當(dāng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)輸氣瓶的成本和長(zhǎng)管拖車加氫的時(shí)間都會(huì)有一定程度的下降，這將帶動(dòng)氫氣運(yùn)輸成本的下降，但下降幅度有限；純氫管道輸送雖然成本較低，但初期資金投入大，適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、短距離、大規(guī)模的氫輸送，主要用于將氫輸送到煉化廠；液氫罐車運(yùn)輸需要液化氫，保持低溫，高能耗，適合長(zhǎng)途運(yùn)輸，多用于航空航天和軍事領(lǐng)域。
天然氣管網(wǎng)在氫氣輸送方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，是一種理想的經(jīng)濟(jì)、高效、規(guī)模化的輸送方式。其原理是將氫氣混入天然氣中，然后通過天然氣管網(wǎng)輸送到目的地，再將氫氣分離或直接使用富氫天然氣，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。
首先，天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的再利用需要較低的初始資本投資，純氫管道單位投資約600萬元/公里，是天然氣管道的兩倍。據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟測(cè)算，到2050年，我國(guó)氫需求量將接近6000萬噸，如果這些氫氣通過純氫氣管道輸送（各參數(shù)參考濟(jì)源-洛陽輸氫管道），前期投資約1000億元。利用天然氣管網(wǎng)輸送氫氣，可以解決大型管道建設(shè)項(xiàng)目融資難的問題，以相對(duì)較小的資金投入實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的聯(lián)網(wǎng)輸送能力；
其次，天然氣管網(wǎng)覆蓋范圍廣，可實(shí)現(xiàn)氫氣的長(zhǎng)距離輸送。目前，世界上最長(zhǎng)的天然氣管道——中俄東線天然氣管道工程，總長(zhǎng)度超過8000公里，利用天然氣管網(wǎng)輸送氫氣，可以快速實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送氫氣的目標(biāo)，連接氫氣產(chǎn)區(qū)和消費(fèi)區(qū)。此外，天然氣管網(wǎng)接觸終端用戶眾多，可以連接電站、工業(yè)企業(yè)、加氫站、居民等用氫部門；
第三，天然氣管道允許摻氫比例波動(dòng)，符合可再生能源發(fā)電波動(dòng)的特點(diǎn)。目前，利用可再生能源電解水制氫是綠色氫的主要來源，天然氣管道輸氫允許氫氣濃度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，可以將可再生能源的波動(dòng)性轉(zhuǎn)化為天然氣管網(wǎng)輸氫的波動(dòng)性，減輕可再生能源并網(wǎng)壓力。
天然氣管網(wǎng)輸送氫氣需要重點(diǎn)解決三個(gè)核心問題：一是氫脆泄漏導(dǎo)致氫氣泄漏。天然氣管道材料以鋼材為主，存在氫脆問題。長(zhǎng)期暴露在氫氣中，鋼管的力學(xué)性能下降，韌性下降，疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加，氫氣向外界擴(kuò)散的概率增加，可能引起安全問題。鋼管強(qiáng)度越高，氫濃度越高，氫脆現(xiàn)象越嚴(yán)重。焊接殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)不均勻會(huì)加速氫擴(kuò)散，因此管道焊接接頭區(qū)域發(fā)生氫泄漏的風(fēng)險(xiǎn)最高。同時(shí)，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)是甲烷的3.8倍，可以更快地從管壁、密封件和接頭處泄漏，造成損失；
其次，從天然氣中分離氫氣的效率低。變壓吸附和膜分離是工業(yè)上應(yīng)用廣泛的兩種氫氣分離純化技術(shù)。變壓吸附法分離氫氣的原理是利用吸附材料對(duì)氫氣吸附能力差而對(duì)甲烷等氣體吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，選擇性地讓氫氣通過吸附床。氣體混合物中的氫濃度越低，氣體混合物需要加壓的就越多。吸附床需要吸附和解吸的次數(shù)越多，氫氣分離的效率就越低。膜分離法的工作原理是基于選擇性滲透原理，利用膜兩側(cè)的壓力差作為驅(qū)動(dòng)力，使氫氣通過膜并在另一側(cè)富集，混合氣中氫氣濃度越低，相同壓差下的氫氣回收率越低；
三是壓縮機(jī)造價(jià)高。氫氣分離環(huán)節(jié)需要配備壓縮機(jī)，通過提高摻氫天然氣的壓力來增加氫氣回收量，氫氣分離完成后，將天然氣升壓回注天然氣管道。據(jù)美國(guó)能源部估算，壓縮機(jī)的采購(gòu)成本是氫分離最重要的成本，約占36%。
主要國(guó)家天然氣管網(wǎng)氫輸運(yùn)實(shí)踐
歐盟將自身龐大的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施視為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
歐盟20年前開始實(shí)施天然氣混氫示范項(xiàng)目，將20%的氫氣并入天然氣分配管道。具有豐富的混氫經(jīng)驗(yàn)，處于世界領(lǐng)先地位。在全球建設(shè)的26個(gè)天然氣管網(wǎng)加氫示范項(xiàng)目中，有19個(gè)位于歐盟。
根據(jù)歐盟委員會(huì)于2020年7月8日發(fā)布的《歐洲氫能戰(zhàn)略》，歐盟將為天然氣管網(wǎng)中的氫氣輸送提供資金支持，并更新氣體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以確保天然氣管網(wǎng)加氫后仍可在成員國(guó)之間使用。
歐盟的天然氣管道企業(yè)也表現(xiàn)出極大的熱情。2020年7月15日，歐盟9國(guó)11家天然氣管網(wǎng)企業(yè)聯(lián)合發(fā)布“歐洲氫能主干管網(wǎng)”倡議，計(jì)劃到2030年氫氣管網(wǎng)總長(zhǎng)度達(dá)到6800公里，到2040年達(dá)到2.3萬公里，3/其中4條是改造后的天然氣管道。屆時(shí)，單位氫氣運(yùn)輸成本將降至11-21歐分/公斤氫氣/公里，平均氫氣運(yùn)輸成本約為制氫成本的2%，可滿足歐洲每年1130 TWh的能源需求。
美國(guó)也將天然氣管道輸送氫氣作為一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略儲(chǔ)備技術(shù)。
自1960年以來，美國(guó)國(guó)家航空航天局、能源部、交通部和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院一直在資助與氫氣管道相關(guān)的研發(fā)工作，涵蓋基礎(chǔ)材料科學(xué)、管道安全、管道經(jīng)濟(jì)學(xué)和管網(wǎng)建模。還有氫氣市場(chǎng)。近兩年，美國(guó)能源部加快氫能研究和項(xiàng)目開發(fā)，提出H2@Scale計(jì)劃，并投資1000萬美元資助天然氣加氫研發(fā)示范項(xiàng)目。美國(guó)天然氣管道公司逐漸表現(xiàn)出濃厚的興趣，并提出了全國(guó)首個(gè)天然氣加氫計(jì)劃。2020年11月，南加州天然氣公司和圣地亞哥天然氣電力公司宣布在天然氣配送管網(wǎng)開發(fā)氫摻混項(xiàng)目，摻氫比高達(dá)20%，并測(cè)試氫分離技術(shù)。
俄羅斯將天然氣管網(wǎng)中的氫氣輸送作為加強(qiáng)能源出口的重要手段。2020年7月，俄羅斯能源部公布了《氫能戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》，提出利用天然氣和核電生產(chǎn)氫氣，通過天然氣管網(wǎng)出口氫氣，使氫氣成為繼天然能源之后的又一重要能源。俄羅斯天然氣工業(yè)公司（以下簡(jiǎn)稱俄氣）正在開展天然氣管網(wǎng)摻氫試點(diǎn)項(xiàng)目，計(jì)劃向歐洲輸送含氫高達(dá)20%的富氫天然氣。俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司還對(duì)“北溪二號(hào)”管道進(jìn)行了混氫計(jì)劃。據(jù)介紹，改造后氫氣混合比可提高到70%。
我國(guó)應(yīng)盡快部署天然氣管網(wǎng)運(yùn)輸氫氣
我國(guó)天然氣管網(wǎng)正處于蓬勃發(fā)展階段，具備混氫的基本條件，但起步較晚。我國(guó)天然氣管道輸送技術(shù)成熟，體系框架基本形成。近年來，運(yùn)輸能力
根據(jù)《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告（2019）》，截至2018年底，我國(guó)天然氣干線管道總里程達(dá)到7.6萬公里，管道輸送能力達(dá)到3200億立方米/年。如果氫氣按10%的比例混合，可形成每年320億立方米的氫氣輸送能力，可同時(shí)滿足7800個(gè)1000kg加氫站或114個(gè)50MW氫燃料電池發(fā)電廠的需求。
2019年以來，國(guó)家電投先后啟動(dòng)了遼寧省朝陽市“可再生能源摻氫示范”和河北省張家口市“天然氣摻氫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范”兩個(gè)示范項(xiàng)目，計(jì)劃直接使用富氫天然氣作為燃料用于工業(yè)取暖、爐灶和汽車。
建議加快天然氣管網(wǎng)氫輸運(yùn)相關(guān)工作：一是統(tǒng)籌各方力量和資源，加強(qiáng)科研攻關(guān)。加大對(duì)天然氣加氫研發(fā)的財(cái)政、稅收和資金支持，開發(fā)先進(jìn)的管道焊接材料和焊接工藝，做好焊前預(yù)熱和焊后熱處理，提高天然氣管網(wǎng)與氫氣的相容性，減少管網(wǎng)氫脆問題，減少氫泄漏的發(fā)生。開發(fā)天然氣管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，綜合評(píng)價(jià)天然氣管網(wǎng)運(yùn)行過程中氫氣的適應(yīng)性、可靠性和穩(wěn)定性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)氫氣泄漏，監(jiān)測(cè)泄漏情況，第一時(shí)間做出反應(yīng)。創(chuàng)新氫分離工藝設(shè)備，開發(fā)機(jī)械強(qiáng)度好的高性能分離膜材料，提高膜兩側(cè)壓差上限；綜合運(yùn)用變壓吸附技術(shù)和高性能膜技術(shù)，開發(fā)出可高效分離天然氣氫氣的系統(tǒng)解決方案。加快閥門、壓力傳感器等壓縮機(jī)零部件國(guó)產(chǎn)化，降低壓縮機(jī)采購(gòu)成本；加強(qiáng)壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提升增壓、能效等壓縮機(jī)性能，降低壓縮機(jī)運(yùn)行成本。運(yùn)用全生命周期概念，研究分析天然氣管網(wǎng)輸送氫氣的碳排放，明確減排效果；
二是及時(shí)推進(jìn)試點(diǎn)工作，積累典型示范工程經(jīng)驗(yàn)。鼓勵(lì)制氫企業(yè)、天然氣管道企業(yè)和加氫站與氫氣用戶合作，開展“制氫-摻氫-輸送-分離-應(yīng)用”全產(chǎn)業(yè)鏈試點(diǎn)，積極探索典型制氫方法和氫氣應(yīng)用天然氣管網(wǎng)氫氣輸送組合模式，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況調(diào)整科研重點(diǎn)，加快科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化；
三是建立規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。開展摻氫天然氣管道輸送及配套工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究，建立包括管道建設(shè)改造設(shè)計(jì)與施工、管道安全規(guī)范與檢測(cè)等在內(nèi)的天然氣管道氫輸送標(biāo)準(zhǔn)體系，改造自然為企業(yè)提供燃?xì)夤艿篮蛽綒涮烊粴猓瑸楣艿腊踩煽窟\(yùn)行提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。
往期精選回顧;
