氫能在能源轉(zhuǎn)型和邁向碳中和目標(biāo)中，被很多國家視為“明星”清潔能源。世界主要發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家，近年基本都出臺(tái)政策，大力支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。美國、日本、德國、澳大利亞、韓國、印度等國家相繼制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略或規(guī)劃。
中國是世界第一產(chǎn)氫大國，也是氫能的第一消費(fèi)大國。如果能把氫能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起來，不僅對(duì)能源轉(zhuǎn)型有巨大意義，還將造就一個(gè)十萬億規(guī)模的氫產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)。
雖然現(xiàn)在通過風(fēng)光發(fā)電制綠氫的成本在不斷下降，但對(duì)氫能的大規(guī)模使用，全世界都面臨一個(gè)難題，那就是氫的儲(chǔ)運(yùn)。氫作為元素周期表中的1號(hào)元素，分子非常小，在同等條件下(溫度、壓強(qiáng))，氫氣熱運(yùn)動(dòng)的速度更快，更容易從容器的縫隙中逃逸，所以氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸比較困難，按照目前的技術(shù)裝備，成本很高。
氫儲(chǔ)運(yùn)作為制氫與用氫之間的紐帶和橋梁，也是制約氫能走向規(guī)模化應(yīng)用的最大痛點(diǎn)，如果能克服技術(shù)障礙，經(jīng)濟(jì)安全地實(shí)現(xiàn)氫能的儲(chǔ)運(yùn)，對(duì)整條氫能產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
最近，我國長(zhǎng)距離、大規(guī)模輸氫技術(shù)接連傳來好消息。
4月16日，中國石油發(fā)布消息，用現(xiàn)有天然氣管道長(zhǎng)距離輸送氫氣的技術(shù)獲得了突破。在寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺(tái)，管道中的氫氣比例已逐步達(dá)到24%。這為我國今后實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的遠(yuǎn)距離氫能運(yùn)輸提供了技術(shù)支撐。
幾天前的4月10日，中國石化也發(fā)布消息，我國首個(gè)“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案，標(biāo)志著我國氫氣長(zhǎng)距離輸送管道進(jìn)入新發(fā)展階段。
“西氫東送”管道規(guī)劃起點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，終點(diǎn)位于北京市的燕山石化，管道全長(zhǎng)400多公里，經(jīng)過內(nèi)蒙古、河北、北京等3省(區(qū)、市)的9個(gè)縣區(qū)，是我國首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長(zhǎng)距離的純氫輸送管道。管道一期運(yùn)力10萬噸/年，預(yù)留50萬噸/年的遠(yuǎn)期提升潛力。
第三個(gè)好消息是，我國在固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫方面也有新進(jìn)展?！?月13日，全球先進(jìn)噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車在上海汽車會(huì)展中心亮相。該第一代噸級(jí)鎂基固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫車由上海氫楓能源技術(shù)有限公司聯(lián)合上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心共同研發(fā)制造，助力我國固態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)邁上新一級(jí)臺(tái)階。
該儲(chǔ)運(yùn)氫車以鎂合金為介質(zhì)，通過鎂與氫氣的可逆反應(yīng)進(jìn)行氫氣儲(chǔ)運(yùn)，單車儲(chǔ)氫量是當(dāng)前主流儲(chǔ)氫方式——高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的3倍至4倍，且存儲(chǔ)狀態(tài)為常溫常壓，解決了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的高壓爆炸風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)更安全、高效、經(jīng)濟(jì)的氫氣儲(chǔ)運(yùn)，是當(dāng)前氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)。
這些技術(shù)突破或項(xiàng)目落地，將加快氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)和規(guī)模化應(yīng)用。
01 管道輸送是大規(guī)模長(zhǎng)距離輸氫的必然
目前，汽車運(yùn)輸仍是我國長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)輸?shù)闹髁鞣绞?。這種方式成本較高、效率較低，而且運(yùn)輸距離有限，是造成終端用氫成本高的主要原因之一。
以鎂合金為介質(zhì)的固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)氫技術(shù)創(chuàng)新，當(dāng)然很有價(jià)值，但如果要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)距離的輸送，必須要像天然氣一樣用管道輸送，才能具有經(jīng)濟(jì)性。
輸氫管道運(yùn)量大、能耗低、邊際成本低，是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘹漭斶\(yùn)的重要方式，將成為氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。中石化的“西氫東送”純氫管道和中石油的摻氫管道，都是助力氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)建設(shè)保障。
目前中石油這條天然氣管道中的氫氣比例已逐步達(dá)到24%，也就是說每輸送100立方米摻氫天然氣，其中就包括了24立方米的氫氣。經(jīng)過了100天的測(cè)試運(yùn)行，這條397公里長(zhǎng)的天然氣管線，整體運(yùn)行安全穩(wěn)定。
專家表示，截止到2022年底我國油氣管道的總里程達(dá)到18.5萬公里。以目前我國天然氣消費(fèi)量計(jì)算，當(dāng)摻氫比達(dá)到20%時(shí)，可運(yùn)輸1000多萬噸氫氣，約合5600多億度綠電，氫氣成本也會(huì)大幅度下降。
我國為什么要從西部往東部運(yùn)輸呢?為什么不就地生產(chǎn)，避免長(zhǎng)途運(yùn)輸呢?
目前我國東部地區(qū)也是有氫氣資源的，但是這些氫氣大都是石化企業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)氫氣，也就是工業(yè)生產(chǎn)中附帶生產(chǎn)出來的氫氣，雖然在使用的時(shí)候是無污染的，但是在生產(chǎn)氫氣的時(shí)候是會(huì)產(chǎn)生一定的碳排放，因此這些氫氣也被業(yè)內(nèi)叫做灰氫。
中國石油大學(xué)(北京)教授孫仁金表示，我們國內(nèi)的氫基本上99%都是灰氫，也就是說從天然氣、從化石能源發(fā)展的氫，那這個(gè)氫其實(shí)它是碳排放還是比較嚴(yán)重的，而且這個(gè)成本也比較高。如果用灰氫，就達(dá)不到減少碳排放的目的。
如用光伏或者風(fēng)電設(shè)備取得的電，對(duì)水進(jìn)行電解生產(chǎn)出來的氫，碳排放比較少，被稱為“綠氫”。而想發(fā)展綠氫，西部地區(qū)無疑是首選。我國內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、寧夏、青海、山西、河北等地風(fēng)光綠電資源富足，這意味著我國西部地區(qū)和北部地區(qū)具有大規(guī)模綠氫資源。另外，我國東部地區(qū)和南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，氫能無論是工業(yè)應(yīng)用還是民用，都具有巨大市場(chǎng)潛力。因此，我國氫能產(chǎn)銷區(qū)域特點(diǎn)與天然氣極為相似，需要發(fā)展“西氫東送”和管道輸氫。
02 管道輸氫的難點(diǎn)是什么
由于氫氣密度小、擴(kuò)散系數(shù)大、易對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化，所以目前國際上對(duì)于如何而高效運(yùn)輸氫氣，都處于技術(shù)研究和攻關(guān)階段。
當(dāng)然，利用管道輸送氫氣歷史已經(jīng)很久了，早在1938年，德國就建成了世界上第一條氫氣長(zhǎng)輸管道，全長(zhǎng)215公里，主要用于化工廠氫資源匹配利用，但成本也非常高，只是小規(guī)模和特殊場(chǎng)景使用。
如果要擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景，就需要在管道輸送技術(shù)上不斷突破。
氫進(jìn)入金屬材料內(nèi)部易導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，管輸工況下，由于內(nèi)外應(yīng)力綜合影響，易出現(xiàn)氫鼓泡、氫致裂紋、延性降低等損傷，大大增加管材失效可能性。這就是所謂“氫脆”現(xiàn)象。
具體來說，就是金屬材料在高壓氫環(huán)境中服役時(shí)，氫分子能夠分解成氫原子滲透入金屬材料內(nèi)部，造成材料的性能劣化(即“氫脆”)。氫脆表現(xiàn)為“H2吸附到金屬表面 → 分解成H原子 → 滲透進(jìn)金屬內(nèi)部 → 在金屬內(nèi)部擴(kuò)散 → 聚集 → 引發(fā)氫致裂紋等”。當(dāng)管道中存在足夠的氫含量、對(duì)氫敏感的金相組織、應(yīng)力集中這3個(gè)條件時(shí)，易導(dǎo)致管道氫脆開裂。
國際上雖已建成一定規(guī)模輸氫管道并正常運(yùn)營，且這些管道基本采用低等級(jí)鋼材，氫損傷管材問題并不是很突出，但由于運(yùn)行壓力較低、設(shè)計(jì)偏保守，管道綜合輸送效率普遍不高。
研究開發(fā)高強(qiáng)度或耐氫脆管材，加快實(shí)現(xiàn)氫氣管輸系統(tǒng)降本增效，是滿足當(dāng)前規(guī)?；瘹鋬?chǔ)運(yùn)需求的重要途徑，國內(nèi)外在這方面已開展大量研究，包括氫致金屬材料損傷機(jī)理、氫與管材相容性、氫對(duì)焊縫性能影響、焊接工藝，以及新型非金屬管材開發(fā)等。
03 我國輸氫管道處于什么位置
隨著氫氣利用量增大和應(yīng)用場(chǎng)景多樣化，目前全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道規(guī)模越來越大，總里程已超過4600公里。
美國氫氣管道規(guī)模最大，總里程達(dá)到2720公里，其中建有全球最大的氫氣供應(yīng)管網(wǎng)，全長(zhǎng)965公里、連接22個(gè)制氫廠，向墨西哥沿岸的煉油廠和化工廠供應(yīng)純氫，輸氫量達(dá)到150萬標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)。
歐洲輸氫管道總里程目前也已超過1500公里，其中法國建有世界上最長(zhǎng)的氫氣管道，從法國北部一直延伸至比利時(shí)，全長(zhǎng)約402公里。近年來，在“雙碳”戰(zhàn)略下氫能產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，尤其是在綠氫技術(shù)推動(dòng)下，規(guī)?；瘹鋬?chǔ)運(yùn)需求日益顯現(xiàn)，輸氫管道建設(shè)已被列入世界各國氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。
歐盟正在規(guī)劃西班牙、法國與葡萄牙之間的跨國輸氫管道;德國提出將在全國范圍內(nèi)建設(shè)5900公里輸氫管道，并與挪威聯(lián)合建設(shè)兩國跨國輸氫管道;預(yù)計(jì)到2040年，歐洲將建成4萬公里氫氣輸送管道。
我國氫能產(chǎn)業(yè)整體起步較晚，現(xiàn)有氫氣輸送管道總里程約400公里，其中由我國自主建設(shè)的較長(zhǎng)距離的典型純氫輸送管道有3條，總里程不足100公里。“雙碳”目標(biāo)下，我國也在加快推進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，河北已啟動(dòng)建設(shè)定州—高碑店氫氣管道工程，全長(zhǎng)164.7公里，年最大輸送量10萬噸，供應(yīng)燃料電池用氫。
來源：澎湃新聞·澎湃號(hào)·湃客 郭郭 參考文獻(xiàn)詳見公眾號(hào)環(huán)球零碳
評(píng)論