北極星氫能網(wǎng)訊:在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)引領(lǐng)下，氫能發(fā)展雖已步入快車道，但依然受到氫氣運(yùn)輸規(guī)模小、成本高的制約。利用天然氣管網(wǎng)運(yùn)輸氫氣具有資本投入低、輸氫距離長、輸氫量可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具潛力的經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)輸方式，目前已得到歐美主要國家的普遍重視。
我國應(yīng)密切關(guān)注該領(lǐng)域的最新進(jìn)展和突破，并及早布局相關(guān)技術(shù)與設(shè)備研發(fā)，積極探索天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫的系統(tǒng)解決方案，突破氫能利用的運(yùn)輸瓶頸。
（來源：微信公眾號(hào)“中國城市能源周刊” 作者：李 歡 崔志廣）
天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫的技術(shù)探索
氫能是一種清潔的二次能源，可實(shí)現(xiàn)跨部門、跨時(shí)間地點(diǎn)靈活轉(zhuǎn)移能源，減少棄風(fēng)、棄光、棄水，在能源轉(zhuǎn)型過程中發(fā)揮系統(tǒng)性作用，幫助能源、交通、工業(yè)等部門深度脫碳。隨著各國碳中和目標(biāo)的提出，減碳的緊迫性驟然增加，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展將步入快車道。在氫能產(chǎn)業(yè)鏈“制、儲(chǔ)、運(yùn)、加、用”五大環(huán)節(jié)中，氫氣運(yùn)輸規(guī)模小、成本高的現(xiàn)狀亟待改變。
氫氣運(yùn)輸規(guī)模小、成本高，是當(dāng)前制約氫能發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)。目前運(yùn)氫方式主要有三種：長管拖車運(yùn)輸、管道運(yùn)輸和液氫罐車運(yùn)輸。
長管拖車運(yùn)輸高壓氣氫是我國的主流運(yùn)氫方式，但單車次運(yùn)氫量僅為200-300公斤，只占長管拖車總重量的1%-2%，運(yùn)輸效率低下。距離200km時(shí)運(yùn)氫成本高達(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)輸氣瓶的成本和長管拖車灌充氫氣的時(shí)間會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，從而帶動(dòng)運(yùn)氫成本下降，但下降幅度有限；純氫管道運(yùn)輸雖然成本較低，但初期資本投入大，適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、近距離、大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸，主要用于向煉化和化工廠輸送氫氣；液氫罐車運(yùn)輸方式需要液化氫氣并保持低溫，能耗較高，適用于長距離運(yùn)輸，多用于航天及軍事領(lǐng)域。
天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫優(yōu)勢(shì)多，是一種理想的經(jīng)濟(jì)、高效、大規(guī)模運(yùn)輸方式。其原理是將氫氣摻入天然氣中，然后經(jīng)天然氣管網(wǎng)運(yùn)輸至目的地，再分離出氫氣或直接使用富氫天然氣，具有諸多優(yōu)勢(shì)。
首先，復(fù)用天然氣基礎(chǔ)設(shè)施，前期資本投入低。純氫管道單位投資額約600萬元/km，是天然氣管道的2倍。據(jù)中國氫能聯(lián)盟估算，到2050年，我國氫氣需求量接近6000萬噸。若這些氫氣都用純氫管道輸送（各項(xiàng)參數(shù)參考濟(jì)源―洛陽輸氫管道），則前期需投入約1000億元。利用天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫可以解決大型管道建設(shè)項(xiàng)目難以獲得經(jīng)濟(jì)支持的問題，通過相對(duì)較少的資本投入實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸能力；
其次，天然氣管網(wǎng)覆蓋范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)氫氣長距離運(yùn)輸。目前世界上距離最長的輸氣管道――中俄東線天然氣管道項(xiàng)目全長逾8000公里。利用天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫，可以快速實(shí)現(xiàn)長距離運(yùn)氫的目標(biāo)，將氫氣產(chǎn)地與消費(fèi)地連接起來。而且，天然氣管網(wǎng)接觸終端用戶多，可連通發(fā)電站、工業(yè)企業(yè)、加氫站、居民等各個(gè)用氫部門；
再次，天然氣管道允許摻氫比例波動(dòng)，契合可再生能源發(fā)電波動(dòng)性的特點(diǎn)。目前利用可再生能源電解水制氫是綠色氫氣的主要來源。天然氣管道運(yùn)氫允許氫氣濃度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，能將可再生能源的波動(dòng)性轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴夤芫W(wǎng)內(nèi)氫氣輸送量的波動(dòng)性，減輕可再生能源電力并網(wǎng)壓力。
天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫需重點(diǎn)解決三個(gè)核心問題:一是氫脆、滲漏導(dǎo)致氫氣泄露。天然氣管道材料主要是鋼，存在氫脆問題。長時(shí)間暴露在氫氣中時(shí)，鋼管的力學(xué)性能下降、韌性降低和疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加，氫氣擴(kuò)散到外界的概率增加，可能引發(fā)安全問題。鋼管強(qiáng)度越高、氫氣濃度越高，氫脆現(xiàn)象就越嚴(yán)重。焊接殘余應(yīng)力和組織不均勻性都會(huì)加速氫擴(kuò)散，因此管道焊接接頭區(qū)域發(fā)生氫氣泄露的風(fēng)險(xiǎn)最高。同時(shí)，氫氣的擴(kuò)散系數(shù)是甲烷的3.8倍，能更快地從管道壁、密封件和接頭滲漏出去，造成損失；
二是分離天然氣中的氫氣效率低。變壓吸附和膜分離是目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的兩種氫氣分離提純技術(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、對(duì)甲烷等氣體吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，選擇性讓氫氣通過吸附床。氣體混合物中氫氣濃度越低，需要升壓的氣體混合物就越多，需要對(duì)吸附床進(jìn)行吸附脫附的次數(shù)越多，氫氣分離的效率越低。膜分離法基于選擇性滲透原理工作，以膜兩側(cè)的壓力差為驅(qū)動(dòng)力，讓氫氣透過薄膜在另一側(cè)富集。氣體混合物中氫氣濃度越低，相同壓力差下氫氣回收率越低；
三是壓縮機(jī)成本高。氫氣分離環(huán)節(jié)需要配置壓縮機(jī)，通過增加摻氫天然氣壓強(qiáng)來提高氫氣回收量，并在完成氫氣分離后將天然氣升壓重新注入天然氣管道。據(jù)美國能源部測(cè)算，壓縮機(jī)購置費(fèi)用是氫氣分離環(huán)節(jié)最主要的成本，約占36%。
主要國家天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫實(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)。
20年前歐盟就開始實(shí)施天然氣摻氫示范項(xiàng)目，將20%的氫氣摻入天然氣配氣管道中，摻氫經(jīng)驗(yàn)豐富，處于全球領(lǐng)先地位。在全球建成的26個(gè)天然氣管網(wǎng)摻氫示范項(xiàng)目中，有19個(gè)位于歐盟。
根據(jù)2020年7月8日歐盟委員會(huì)發(fā)布的《歐洲氫能戰(zhàn)略》，歐盟將為天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫提供資金支持，并更新氣體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以確保天然氣管網(wǎng)摻氫后還能在成員國之間順利連通。
歐盟的天然氣管網(wǎng)公司也表現(xiàn)出極高的積極性。2020年7月15日，歐盟9個(gè)國家的11家天然氣管網(wǎng)公司聯(lián)合發(fā)布《歐洲氫能主干管網(wǎng)》倡議，計(jì)劃到2030年輸氫管網(wǎng)總長度達(dá)到6800公里，到2040年達(dá)2.3萬公里，其中3/4為改造后的天然氣管道。屆時(shí)單位運(yùn)氫成本將降低至11-21歐分/千克氫氣/千公里，平均運(yùn)氫成本約相當(dāng)于氫氣制備成本的2%，能滿足歐洲每年1130TWh的能源需求。
美國也將天然氣管道運(yùn)氫視為重要的戰(zhàn)略技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)備。
1960年以來，美國國家航空航天局、能源部、交通部和國家標(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，內(nèi)容覆蓋基礎(chǔ)材料科學(xué)、管道安全、管道經(jīng)濟(jì)學(xué)、管道網(wǎng)絡(luò)建模和氫氣市場(chǎng)等。近兩年，美國能源部加速氫能研究與項(xiàng)目開發(fā)，提出了H2@Scale計(jì)劃，出資1000萬美元資助天然氣摻氫研發(fā)示范項(xiàng)目。美國的天然氣管網(wǎng)公司也逐漸表現(xiàn)出濃厚興趣，提出了全美首個(gè)天然氣摻氫計(jì)劃。2020年11月，南加州天然氣公司聯(lián)合圣地亞哥天然氣和電力公司宣布在天然氣配氣管網(wǎng)中開展摻氫項(xiàng)目，摻入比例最高將達(dá)20%，并試驗(yàn)氫氣分離技術(shù)。
俄羅斯則將天然氣管網(wǎng)運(yùn)氫視為強(qiáng)化能源出口的重要手段。2020年7月俄羅斯能源部公布《氫能戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》，提出利用天然氣和核電制氫，通過天然氣管網(wǎng)摻氫實(shí)現(xiàn)氫氣出口，使氫氣成為繼天然氣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，擬向歐洲輸送摻氫比例最高達(dá)20%的富氫天然氣。俄氣對(duì)“北溪2號(hào)”管道也進(jìn)行了摻氫規(guī)劃，據(jù)介紹，改造后摻氫比例可以提升至70%。
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