輸氫技術接連突破，氫能規(guī)模化應用即將打開

　　氫能在能源轉型和邁向碳中和目標中，被很多國家視為“明星”清潔能源。世界主要發(fā)達國家和發(fā)展中國家，近年基本都出臺政策，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大國。如果能把氫能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展起來，不僅對能源轉型有巨大意義，還將造就一個十萬億規(guī)模的氫產(chǎn)業(yè)鏈市場。

　　雖然現(xiàn)在通過風光發(fā)電制綠氫的成本在不斷下降，但對氫能的大規(guī)模使用，全世界都面臨一個難題，那就是氫的儲運。氫作為元素周期表中的1號元素，分子非常小，在同等條件下(溫度、壓強)，氫氣熱運動的速度更快，更容易從容器的縫隙中逃逸，所以氫氣的儲存和運輸比較困難，按照目前的技術裝備，成本很高。

　　氫儲運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)模化應用的最大痛點，如果能克服技術障礙，經(jīng)濟安全地實現(xiàn)氫能的儲運，對整條氫能產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)發(fā)展至關重要。

　　最近，我國長距離、大規(guī)模輸氫技術接連傳來好消息。

　　4月16日，中國石油發(fā)布消息，用現(xiàn)有天然氣管道長距離輸送氫氣的技術獲得了突破。在寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺，管道中的氫氣比例已逐步達到24%。這為我國今后實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的遠距離氫能運輸提供了技術支撐。

　　幾天前的4月10日，中國石化也發(fā)布消息，我國首個“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)”建設實施方案，標志著我國氫氣長距離輸送管道進入新發(fā)展階段。

　　“西氫東送”管道規(guī)劃起點位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，終點位于北京市的燕山石化，管道全長400多公里，經(jīng)過內(nèi)蒙古、河北、北京等3省(區(qū)、市)的9個縣區(qū)，是我國首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長距離的純氫輸送管道。管道一期運力10萬噸/年，預留50萬噸/年的遠期提升潛力。

　　第三個好消息是，我國在固態(tài)儲運氫方面也有新進展。　4月13日，全球先進噸級鎂基固態(tài)儲運氫車在上海汽車會展中心亮相。該第一代噸級鎂基固態(tài)儲運氫車由上海氫楓能源技術有限公司聯(lián)合上海交通大學氫科學中心共同研發(fā)制造，助力我國固態(tài)儲氫技術邁上新一級臺階。

　　該儲運氫車以鎂合金為介質(zhì)，通過鎂與氫氣的可逆反應進行氫氣儲運，單車儲氫量是當前主流儲氫方式——高壓氣態(tài)儲氫的3倍至4倍，且存儲狀態(tài)為常溫常壓，解決了高壓氣態(tài)儲氫的高壓爆炸風險，實現(xiàn)更安全、高效、經(jīng)濟的氫氣儲運，是當前氫氣儲運環(huán)節(jié)的一項創(chuàng)新性技術。

　　這些技術突破或項目落地，將加快氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的建設和規(guī)模化應用。

　　01 管道輸送是大規(guī)模長距離輸氫的必然

　　目前，汽車運輸仍是我國長距離氫氣運輸?shù)闹髁鞣绞健＿@種方式成本較高、效率較低，而且運輸距離有限，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)儲運氫技術創(chuàng)新，當然很有價值，但如果要實現(xiàn)大規(guī)模、長距離的輸送，必須要像天然氣一樣用管道輸送，才能具有經(jīng)濟性。

　　輸氫管道運量大、能耗低、邊際成本低，是實現(xiàn)規(guī)模化氫輸運的重要方式，將成為氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。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)展的基礎建設保障。

　　目前中石油這條天然氣管道中的氫氣比例已逐步達到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天的測試運行，這條397公里長的天然氣管線，整體運行安全穩(wěn)定。

　　專家表示，截止到2022年底我國油氣管道的總里程達到18.5萬公里。以目前我國天然氣消費量計算，當摻氫比達到20%時，可運輸1000多萬噸氫氣，約合5600多億度綠電，氫氣成本也會大幅度下降。

　　我國為什么要從西部往東部運輸呢?為什么不就地生產(chǎn)，避免長途運輸呢?

　　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，雖然在使用的時候是無污染的，但是在生產(chǎn)氫氣的時候是會產(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(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，那這個氫其實它是碳排放還是比較嚴重的，而且這個成本也比較高。如果用灰氫，就達不到減少碳排放的目的。

　　如用光伏或者風電設備取得的電，對水進行電解生產(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)濟發(fā)達，氫能無論是工業(yè)應用還是民用，都具有巨大市場潛力。因此，我國氫能產(chǎn)銷區(qū)域特點與天然氣極為相似，需要發(fā)展“西氫東送”和管道輸氫。

　　02 管道輸氫的難點是什么

　　由于氫氣密度小、擴散系數(shù)大、易對材料力學性能產(chǎn)生劣化，所以目前國際上對于如何而高效運輸氫氣，都處于技術研究和攻關階段。

　　當然，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輸管道，全長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)模和特殊場景使用。

　　如果要擴大應用場景，就需要在管道輸送技術上不斷突破。

　　氫進入金屬材料內(nèi)部易導致材料力學性能下降，管輸工況下，由于內(nèi)外應力綜合影響，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，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 → 滲透進金屬內(nèi)部 → 在金屬內(nèi)部擴散 → 聚集 → 引發(fā)氫致裂紋等”。當管道中存在足夠的氫含量、對氫敏感的金相組織、應力集中這3個條件時，易導致管道氫脆開裂。

　　國際上雖已建成一定規(guī)模輸氫管道并正常運營，且這些管道基本采用低等級鋼材，氫損傷管材問題并不是很突出，但由于運行壓力較低、設計偏保守，管道綜合輸送效率普遍不高。

　　研究開發(fā)高強度或耐氫脆管材，加快實現(xiàn)氫氣管輸系統(tǒng)降本增效，是滿足當前規(guī)模化氫儲運需求的重要途徑，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理、氫與管材相容性、氫對焊縫性能影響、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用場景多樣化，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，總里程達到2720公里，其中建有全球最大的氫氣供應管網(wǎng)，全長965公里、連接22個制氫廠，向墨西哥沿岸的煉油廠和化工廠供應純氫，輸氫量達到150萬標準立方米/小時。

　　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的氫氣管道，從法國北部一直延伸至比利時，全長約402公里。近年來，在“雙碳”戰(zhàn)略下氫能產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，尤其是在綠氫技術推動下，規(guī)模化氫儲運需求日益顯現(xiàn)，輸氫管道建設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5900公里輸氫管道，并與挪威聯(lián)合建設兩國跨國輸氫管道;預計到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的較長距離的典型純氫輸送管道有3條，總里程不足100公里。“雙碳”目標下，我國也在加快推進氫能基礎設施建設，河北已啟動建設定州—高碑店氫氣管道工程，全長164.7公里，年最大輸送量10萬噸，供應燃料電池用氫。

　　來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客 郭郭 參考文獻詳見公眾號環(huán)球零碳