北極星氫能網(wǎng)訊:在碳達峰、碳中和目標引領下，氫能發(fā)展雖已步入快車道，但依然受到氫氣運輸規(guī)模小、成本高的制約。利用天然氣管網(wǎng)運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，是一種極具潛力的經(jīng)濟、高效的運輸方式，目前已得到歐美主要國家的普遍重視。

我國應密切關注該領域的最新進展和突破，并及早布局相關技術與設備研發(fā)，積極探索天然氣管網(wǎng)運氫的系統(tǒng)解決方案，突破氫能利用的運輸瓶頸。

（來源：微信公眾號“中國城市能源周刊” 作者：李 歡 崔志廣）

天然氣管網(wǎng)運氫的技術探索

氫能是一種清潔的二次能源，可實現(xiàn)跨部門、跨時間地點靈活轉移能源，減少棄風、棄光、棄水，在能源轉型過程中發(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、運、加、用”五大環(huán)節(jié)中，氫氣運輸規(guī)模小、成本高的現(xiàn)狀亟待改變。

氫氣運輸規(guī)模小、成本高，是當前制約氫能發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節(jié)。目前運氫方式主要有三種：長管拖車運輸、管道運輸和液氫罐車運輸。

長管拖車運輸高壓氣氫是我國的主流運氫方式，但單車次運氫量僅為200-300公斤，只占長管拖車總重量的1%-2%，運輸效率低下。距離200km時運氫成本高達11元/kg左右，與煤制氫成本相當。隨著技術的發(fā)展，運輸氣瓶的成本和長管拖車灌充氫氣的時間會出現(xiàn)一定程度的下降，從而帶動運氫成本下降，但下降幅度有限；純氫管道運輸雖然成本較低，但初期資本投入大，適合點對點、近距離、大規(guī)模的氫氣運輸，主要用于向煉化和化工廠輸送氫氣；液氫罐車運輸方式需要液化氫氣并保持低溫，能耗較高，適用于長距離運輸，多用于航天及軍事領域。

天然氣管網(wǎng)運氫優(yōu)勢多，是一種理想的經(jīng)濟、高效、大規(guī)模運輸方式。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。

首先，復用天然氣基礎設施，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（各項參數(shù)參考濟源―洛陽輸氫管道），則前期需投入約1000億元。利用天然氣管網(wǎng)運氫可以解決大型管道建設項目難以獲得經(jīng)濟支持的問題，通過相對較少的資本投入實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的網(wǎng)絡化運輸能力；

其次，天然氣管網(wǎng)覆蓋范圍廣，可以實現(xiàn)氫氣長距離運輸。目前世界上距離最長的輸氣管道――中俄東線天然氣管道項目全長逾8000公里。利用天然氣管網(wǎng)運氫，可以快速實現(xiàn)長距離運氫的目標，將氫氣產(chǎn)地與消費地連接起來。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、居民等各個用氫部門；

再次，天然氣管道允許摻氫比例波動，契合可再生能源發(fā)電波動性的特點。目前利用可再生能源電解水制氫是綠色氫氣的主要來源。天然氣管道運氫允許氫氣濃度在一定范圍內(nèi)波動，能將可再生能源的波動性轉變?yōu)樘烊粴夤芫W(wǎng)內(nèi)氫氣輸送量的波動性，減輕可再生能源電力并網(wǎng)壓力。

天然氣管網(wǎng)運氫需重點解決三個核心問題:一是氫脆、滲漏導致氫氣泄露。天然氣管道材料主要是鋼，存在氫脆問題。長時間暴露在氫氣中時，鋼管的力學性能下降、韌性降低和疲勞裂紋擴展速率增加，氫氣擴散到外界的概率增加，可能引發(fā)安全問題。鋼管強度越高、氫氣濃度越高，氫脆現(xiàn)象就越嚴重。焊接殘余應力和組織不均勻性都會加速氫擴散，因此管道焊接接頭區(qū)域發(fā)生氫氣泄露的風險最高。同時，氫氣的擴散系數(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)上廣泛應用的兩種氫氣分離提純技術。變壓吸附法分離氫氣的原理是利用吸附材料對氫氣吸附能力差、對甲烷等氣體吸附能力強的特點，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，需要對吸附床進行吸附脫附的次數(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，以膜兩側的壓力差為驅(qū)動力，讓氫氣透過薄膜在另一側富集。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；

三是壓縮機成本高。氫氣分離環(huán)節(jié)需要配置壓縮機，通過增加摻氫天然氣壓強來提高氫氣回收量，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)美國能源部測算，壓縮機購置費用是氫氣分離環(huán)節(jié)最主要的成本，約占36%。

主要國家天然氣管網(wǎng)運氫實踐

歐盟將自身龐大的天然氣基礎設施視為發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的獨特優(yōu)勢。

20年前歐盟就開始實施天然氣摻氫示范項目，將20%的氫氣摻入天然氣配氣管道中，摻氫經(jīng)驗豐富，處于全球領先地位。在全球建成的26個天然氣管網(wǎng)摻氫示范項目中，有19個位于歐盟。

根據(jù)2020年7月8日歐盟委員會發(fā)布的《歐洲氫能戰(zhàn)略》，歐盟將為天然氣管網(wǎng)運氫提供資金支持，并更新氣體質(zhì)量標準，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，計劃到2030年輸氫管網(wǎng)總長度達到6800公里，到2040年達2.3萬公里，其中3/4為改造后的天然氣管道。屆時單位運氫成本將降低至11-21歐分/千克氫氣/千公里，平均運氫成本約相當于氫氣制備成本的2%，能滿足歐洲每年1130TWh的能源需求。

美國也將天然氣管道運氫視為重要的戰(zhàn)略技術進行儲備。

1960年以來，美國國家航空航天局、能源部、交通部和國家標準與技術研究院一直在資助與氫氣管道相關的研發(fā)工作，內(nèi)容覆蓋基礎材料科學、管道安全、管道經(jīng)濟學、管道網(wǎng)絡建模和氫氣市場等。近兩年，美國能源部加速氫能研究與項目開發(fā)，提出了H2@Scale計劃，出資1000萬美元資助天然氣摻氫研發(fā)示范項目。美國的天然氣管網(wǎng)公司也逐漸表現(xiàn)出濃厚興趣，提出了全美首個天然氣摻氫計劃。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)中開展摻氫項目，摻入比例最高將達20%，并試驗氫氣分離技術。

俄羅斯則將天然氣管網(wǎng)運氫視為強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（以下簡稱俄氣）正在開展天然氣管網(wǎng)摻氫試點項目，擬向歐洲輸送摻氫比例最高達20%的富氫天然氣。俄氣對“北溪2號”管道也進行了摻氫規(guī)劃，據(jù)介紹，改造后摻氫比例可以提升至70%。

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本文標題：破解規(guī)模化運氫難題 天然氣管網(wǎng)可發(fā)揮大作用

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