文｜能鏈研究院
對(duì)于新興產(chǎn)業(yè)，核心技術(shù)自主可控是高質(zhì)量發(fā)展的基石。
我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)正處于起步階段，儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)是當(dāng)前制約我國(guó)氫能發(fā)展的瓶頸之一。
因?yàn)闅錃饩哂械兔芏取⒁兹家妆忍攸c(diǎn)，氫能的安全高效輸送和儲(chǔ)存難度較大，也導(dǎo)致了氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的成本較高。
儲(chǔ)運(yùn)上承制氫環(huán)節(jié)，下接氫能源車等應(yīng)用環(huán)節(jié)，安全高效的輸氫技術(shù)是氫能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的前提。
機(jī)構(gòu)普遍預(yù)期，僅氫氣儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)就有潛力構(gòu)成一個(gè)千億規(guī)模市場(chǎng)，在未來終端氫氣售價(jià)中的30%將用于儲(chǔ)運(yùn)成本。
在所有的氫能輸運(yùn)方案中，管道運(yùn)輸是最經(jīng)濟(jì)方式，利用現(xiàn)有天然氣管線摻氫和新建純氫管道輸氫對(duì)于氫儲(chǔ)運(yùn)的發(fā)展具有重要意義。
4月10日，“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入《石油天然氣“全國(guó)一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》，標(biāo)志著中國(guó)氫氣長(zhǎng)距離輸送管道項(xiàng)目正式啟動(dòng)。
“西氫東送”管道規(guī)劃經(jīng)過內(nèi)蒙古、河北、北京等三?。ㄊ校┚艂€(gè)縣區(qū)，管道全長(zhǎng)400多公里，一期運(yùn)力10萬噸/年，預(yù)留50萬噸/年的遠(yuǎn)期提升潛力，是中國(guó)首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長(zhǎng)距離的純氫輸送管道,可緩解中國(guó)綠氫供需錯(cuò)配的問題。
4月16日，寧夏寧德的天然氣管道（長(zhǎng)397公里）長(zhǎng)距離輸氫技術(shù)獲突破，氫氣比例逐步達(dá)到24%，整體運(yùn)行平穩(wěn)。
當(dāng)下，市場(chǎng)對(duì)氫能的需求日益旺盛，摻氫技術(shù)以及長(zhǎng)距離輸氫技術(shù)的突破，意味著我國(guó)輸氫管道有望開啟市場(chǎng)化推廣。
01、管道是氫氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)淖罴崖窂?/h4>
儲(chǔ)運(yùn)的技術(shù)路徑，通常分為氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)以及固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)三種方式。
不過，相較于石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料，氫氣在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)具有天然的劣勢(shì)，發(fā)展進(jìn)度緩慢。
學(xué)習(xí)過中學(xué)化學(xué)的讀者都清楚，氫是周期表中排名第一的元素，氫氣的質(zhì)量小，密度低，它的性質(zhì)非常活躍，既容易泄漏，也容易爆炸。
對(duì)于這樣一種氣體，儲(chǔ)運(yùn)顯然非常麻煩，即使沒有危險(xiǎn)發(fā)生，也會(huì)造成相當(dāng)程度的成本不經(jīng)濟(jì)。
我們可以通過一個(gè)例子簡(jiǎn)單理解——運(yùn)輸一車氫氣，瓶子重量在95%以上，需求的氫氣只有5%，而且不能長(zhǎng)距離運(yùn)輸，所以這是一筆不劃算的生意。
氫氣氣態(tài)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑局限在200公里以內(nèi)，50公里以內(nèi)每公斤氫運(yùn)輸成本超過4元，100公里運(yùn)輸成本為超過8元，距離500km時(shí)運(yùn)輸成本達(dá)到20.18元/kg。
并且，運(yùn)輸壓縮氫氣的魚雷車每車僅可運(yùn)300kg。
毫無疑問，成本和載荷的問題無疑制約了氫氣的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，阻礙了氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
從技術(shù)路徑來看，中長(zhǎng)距離大規(guī)模運(yùn)輸，主要考慮管道和液氫運(yùn)輸方式。液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)的儲(chǔ)氫密度較大，但設(shè)備投資與能耗成本較高，管道運(yùn)輸無疑是最佳的解決方案。
機(jī)構(gòu)分析，當(dāng)輸送距離為100公里時(shí)，運(yùn)氫成本為1.43元/千克，同等運(yùn)輸距離下管道輸氫成本低于高壓長(zhǎng)管拖車及低溫液態(tài)輸氫。
截止到2022年底我國(guó)油氣管道的總里程達(dá)到18.5萬公里。以目前我國(guó)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。
02、管道運(yùn)輸依靠天然氣摻氫過渡
雖然，管道運(yùn)輸具有輸氫量大、能耗小和成本低等優(yōu)勢(shì)，但前期管道建設(shè)一次性投資成本較大。
長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)臍錃夤艿赖脑靸r(jià)約為63萬美元/km，而天然氣管道的造價(jià)約為25萬美元/km，氫氣管道的造價(jià)約為天然氣管道的2.5倍。
當(dāng)前氫氣應(yīng)用及加氫站尚未大范圍普及，加氫站點(diǎn)較為分散，管道運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性有限。
另一方面，受氣體性質(zhì)差異、摻氫比、管道材質(zhì)和外部環(huán)境等影響，氫氣進(jìn)入管道后容易產(chǎn)生氫脆、滲透和泄漏等風(fēng)險(xiǎn)。
研究表明，氫氣壓力、純凈度、環(huán)境溫度、管道強(qiáng)度水平、變形速率、微觀組織等因素均會(huì)影響管道的損傷程度。 因此，從成本和技術(shù)的角度來看，現(xiàn)階段，大量建設(shè)專用氫能運(yùn)輸管道還不是時(shí)機(jī)，管道輸氫主要采用天然氣摻氫的方式。
天然氣摻氫就是將一定比例的氫氣注入到天然氣中，形成的一種混合氣體（HCNG），通過天然氣管道將摻氫的天然氣輸送至終端用戶，隨后直接利用、或者將氫氣提純后分別單獨(dú)使用。
目前，國(guó)際上尚未出臺(tái)摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)專用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，各國(guó)天然氣氣體質(zhì)量規(guī)范中可允許的最大摻氫比例也各不相同。如德國(guó)天然氣配送系統(tǒng)的摻氫上限為10%，法國(guó)為6%，意大利為5%，澳大利亞為4%等。
研究表明，理論上，含20%體積比氫氣的天然氣-氫氣混合燃料可以直接使用目前的天然氣輸運(yùn)管道，無需任何改造。 在天然氣中摻混20%的氫氣，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可提高15%，經(jīng)濟(jì)性提高8%，污染物排放降低60%～80%。 輸氫管道具備大規(guī)模輸送氫氣的潛力，有著成本和效率的明顯優(yōu)勢(shì)。在碳中和的背景下，各國(guó)政府將天然氣摻氫項(xiàng)目作為氫能應(yīng)用場(chǎng)景探索大力推廣，天然氣摻氫的“潮流”已經(jīng)席卷全球。
03、全球掀起管道運(yùn)輸規(guī)劃浪潮
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道已經(jīng)超過5000km，這些管道主要是由氫氣的生產(chǎn)商來運(yùn)行。美國(guó)輸氫管道總里程已超過2700km，排名第一，歐洲氫氣輸送管道長(zhǎng)度也達(dá)到1770km。
管道輸氫技術(shù)走在最前端的是美國(guó)，最高運(yùn)行壓力到10.3兆帕，主要是位于墨西哥灣沿岸，有1000公里左右的管線。
展望未來，全球輸氫管道已然開始加速。
歐洲于2020年7月提出歐洲氫能主干管網(wǎng)規(guī)劃，目前已經(jīng)擴(kuò)展到28個(gè)國(guó)家地區(qū)的31家天然氣基礎(chǔ)設(shè)施公司。
預(yù)計(jì)到2030年建成5個(gè)泛歐氫氣供應(yīng)和進(jìn)口的氫走廊及近28,000公里的輸氫管道，到2040年建立一個(gè)約53.000公里的氫氣輸送管道網(wǎng)絡(luò)。未來仍將進(jìn)一步增長(zhǎng)。估計(jì)總投資達(dá)800-1430億歐元。
陸上管道運(yùn)輸來看，每公斤氫氣每運(yùn)輸1,000公里的平均運(yùn)輸成本為0.11-0,21歐元，如果僅通過海底管道運(yùn)輸氫氣，則每公斤氫氣每運(yùn)輸1,000公里的平均運(yùn)輸成本為0.17-0.32歐元。
我國(guó)目前的管道長(zhǎng)度仍然落后發(fā)達(dá)國(guó)家，建設(shè)進(jìn)度較慢，目前國(guó)內(nèi)總里程僅400公里，在用的管道只有百公里左右。
2022年，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》，文件提出要開展摻氫天然氣管道、純氫管道等試點(diǎn)示范。
在政策支持下，氫能管道迎來發(fā)展“風(fēng)口”。近兩年，我國(guó)關(guān)于輸氫管道建設(shè)動(dòng)作不斷，國(guó)內(nèi)輸氫管道建設(shè)加速。
機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，隨著管道運(yùn)力利用率的下降，運(yùn)輸成本大幅增加，而當(dāng)運(yùn)力利用率較高時(shí)，運(yùn)輸成本相對(duì)經(jīng)濟(jì)。
如管道運(yùn)力利用率100%時(shí)，運(yùn)輸距離由50km增加至500km，運(yùn)輸成本僅從0.8元/kg增加至2.3元/kg，顯著低于氣氫拖車、液氫等上述運(yùn)輸成本。
在未來氫能全面普及到各領(lǐng)域后，管道輸氫將會(huì)成為最具潛力的輸氫方式。
與此同時(shí)，氫能管道運(yùn)輸未來同樣面臨著諸多技術(shù)難關(guān)。
比如，低成本、高強(qiáng)度的抗氫脆材料，高性能的氫能管道的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，如大流量的壓縮機(jī)，氫氣計(jì)量的設(shè)備閥門、儀表等。還有就是出臺(tái)相應(yīng)氫能管道的標(biāo)準(zhǔn)體系建立，如設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)等各個(gè)方面。
在政策背書及市場(chǎng)拉動(dòng)下，我國(guó)管道輸氫技術(shù)快速發(fā)展。
當(dāng)前的天然氣摻氫比例一般在2%~20%，20%是實(shí)驗(yàn)室的理論值。而我國(guó)寧夏寧德的天然氣管道（長(zhǎng)397公里）氫氣比例逐步達(dá)到24%，整體運(yùn)行平穩(wěn)。
隨著氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，核心關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展迅速，國(guó)產(chǎn)品牌技術(shù)迭代及產(chǎn)品性價(jià)比快速提升。
此外，我國(guó)管道輸氫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有了一定的突破：
2021年7月，由西南市政總院負(fù)責(zé)主編的《城鎮(zhèn)民用氫氣輸配系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》編制工作正式啟動(dòng)。
與此同時(shí)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)批復(fù)了《氫氣輸送工業(yè)管道技術(shù)規(guī)程》的編制工作，發(fā)布了《關(guān)于公開征求中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)〈天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程〉意見的通知》。
隨著技術(shù)突破、核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化替代，國(guó)內(nèi)管道輸氫標(biāo)準(zhǔn)體系的建立，我國(guó)管道輸氫產(chǎn)業(yè)有望迎來高速發(fā)展。
到2030年，氫能產(chǎn)業(yè)將成為我國(guó)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，輸氫管道建設(shè)里程達(dá)到3000km。
輸氫管道將幫助我國(guó)在可再生能源制氫、氫儲(chǔ)能、氫化工、氫交通、氫冶金等領(lǐng)域的發(fā)展步入正軌，將促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步落地，進(jìn)行市場(chǎng)化推廣，助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
參考資料：
[1] 國(guó)金證券，《氫儲(chǔ)運(yùn)短中長(zhǎng)期發(fā)展推演，氣、液、管道逐步過渡》
[2] PROCESS流程工業(yè)，《不同氫氣運(yùn)輸方式的成本測(cè)算，哪種運(yùn)氫方式是未來發(fā)展方向？》
[3] DT新能源，《2022年我國(guó)管道輸氫發(fā)展如何？》