在碳達峰和碳中和目標的指引下，氫能發(fā)展雖然進(jìn)入了快車(chē)道，但仍受到氫運輸規模小、成本高的制約。利用天然氣管網(wǎng)輸送氫氣具有資金投入少、氫氣輸送距離長(cháng)、氫氣輸送量可調等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟高效的運輸方式，潛力巨大。受到歐美主要國家的普遍關(guān)注。

我國應密切關(guān)注該領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)和突破，盡早部署相關(guān)技術(shù)裝備研發(fā)，積極探索天然氣管網(wǎng)氫氣輸送系統解決方案，突破輸送瓶頸。

天然氣管網(wǎng)輸氫技術(shù)探索

氫能是一種清潔的二次能源，可以實(shí)現能源跨部門(mén)、跨時(shí)間、跨地域的靈活轉移，減少風(fēng)、光、水的浪費，在能源轉型過(guò)程中發(fā)揮系統作用，助力能源、交通、行業(yè)等行業(yè)的深度脫碳。隨著(zhù)各國碳中和目標的出臺，減碳的緊迫性驟然增加，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將進(jìn)入快車(chē)道，在氫能產(chǎn)業(yè)鏈“產(chǎn)、儲、運、加、用”五個(gè)主要環(huán)節中，氫運輸規模小、成本高的現狀亟待改變。

氫運輸規模小、成本高是目前制約氫能發(fā)展的“卡脖子”環(huán)節。目前，氫氣的運輸方式主要有長(cháng)管拖車(chē)運輸、管道運輸和液氫罐車(chē)運輸三種。

長(cháng)管拖車(chē)運輸高壓氫氣作為我國主流的氫氣運輸方式，但每輛車(chē)的氫氣運輸量?jì)H為200-300公斤，僅占車(chē)輛總重量的1%-2%。長(cháng)管拖車(chē)，運輸效率低。200km距離運輸氫氣的成本高達11元/kg左右，與煤制氫成本相當。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，運輸氣瓶的成本和長(cháng)管拖車(chē)加氫的時(shí)間都會(huì )有一定程度的下降，這將帶動(dòng)氫氣運輸成本的下降，但下降幅度有限;純氫管道輸送雖然成本較低，但初期資金投入大，適用于點(diǎn)對點(diǎn)、短距離、大規模的氫輸送，主要用于將氫輸送到煉化廠(chǎng);液氫罐車(chē)運輸需要液化氫，保持低溫，高能耗，適合長(cháng)途運輸，多用于航空航天和軍事領(lǐng)域。

天然氣管網(wǎng)在氫氣輸送方面具有諸多優(yōu)勢，是一種理想的經(jīng)濟、高效、規?；妮斔头绞?。其原理是將氫氣混入天然氣中，然后通過(guò)天然氣管網(wǎng)輸送到目的地，再將氫氣分離或直接使用富氫天然氣，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。

首先，天然氣基礎設施的再利用需要較低的初始資本投資，純氫管道單位投資約600萬(wàn)元/公里，是天然氣管道的兩倍。據中國氫能聯(lián)盟測算，到2050年，我國氫需求量將接近6000萬(wàn)噸，如果這些氫氣通過(guò)純氫氣管道輸送(各參數參考濟源-洛陽(yáng)輸氫管道)，前期投資約1000億元。利用天然氣管網(wǎng)輸送氫氣，可以解決大型管道建設項目融資難的問(wèn)題，以相對較小的資金投入實(shí)現大規模、低成本的聯(lián)網(wǎng)輸送能力;

其次，天然氣管網(wǎng)覆蓋范圍廣，可實(shí)現氫氣的長(cháng)距離輸送。目前，世界上最長(cháng)的天然氣管道——中俄東線(xiàn)天然氣管道工程，總長(cháng)度超過(guò)8000公里，利用天然氣管網(wǎng)輸送氫氣，可以快速實(shí)現長(cháng)距離輸送氫氣的目標，連接氫氣產(chǎn)區和消費區。此外，天然氣管網(wǎng)接觸終端用戶(hù)眾多，可以連接電站、工業(yè)企業(yè)、加氫站、居民等用氫部門(mén);

第三，天然氣管道允許摻氫比例波動(dòng)，符合可再生能源發(fā)電波動(dòng)的特點(diǎn)。目前，利用可再生能源電解水制氫是綠色氫的主要來(lái)源，天然氣管道輸氫允許氫氣濃度在一定范圍內波動(dòng)，可以將可再生能源的波動(dòng)性轉化為天然氣管網(wǎng)輸氫的波動(dòng)性，減輕可再生能源并網(wǎng)壓力。

天然氣管網(wǎng)輸送氫氣需要重點(diǎn)解決三個(gè)核心問(wèn)題：一是氫脆泄漏導致氫氣泄漏。天然氣管道材料以鋼材為主，存在氫脆問(wèn)題。長(cháng)期暴露在氫氣中，鋼管的力學(xué)性能下降，韌性下降，疲勞裂紋擴展速率增加，氫氣向外界擴散的概率增加，可能引起安全問(wèn)題。鋼管強度越高，氫濃度越高，氫脆現象越嚴重。焊接殘余應力和結構不均勻會(huì )加速氫擴散，因此管道焊接接頭區域發(fā)生氫泄漏的風(fēng)險最高。同時(shí)，氫氣的擴散系數是甲烷的3.8倍，可以更快地從管壁、密封件和接頭處泄漏，造成損失;

其次，從天然氣中分離氫氣的效率低。變壓吸附和膜分離是工業(yè)上應用廣泛的兩種氫氣分離純化技術(shù)。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而對甲烷等氣體吸附能力強的特點(diǎn)，選擇性地讓氫氣通過(guò)吸附床。氣體混合物中的氫濃度越低，氣體混合物需要加壓的就越多。吸附床需要吸附和解吸的次數越多，氫氣分離的效率就越低。膜分離法的工作原理是基于選擇性滲透原理，利用膜兩側的壓力差作為驅動(dòng)力，使氫氣通過(guò)膜并在另一側富集，混合氣中氫氣濃度越低，相同壓差下的氫氣回收率越低;

三是壓縮機造價(jià)高。氫氣分離環(huán)節需要配備壓縮機，通過(guò)提高摻氫天然氣的壓力來(lái)增加氫氣回收量，氫氣分離完成后，將天然氣升壓回注天然氣管道。據美國能源部估算，壓縮機的采購成本是氫分離最重要的成本，約占36%。

主要國家天然氣管網(wǎng)氫輸運實(shí)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。

歐盟20年前開(kāi)始實(shí)施天然氣混氫示范項目，將20%的氫氣并入天然氣分配管道。具有豐富的混氫經(jīng)驗，處于世界領(lǐng)先地位。在全球建設的26個(gè)天然氣管網(wǎng)加氫示范項目中，有19個(gè)位于歐盟。

根據歐盟委員會(huì )于2020年7月8日發(fā)布的《歐洲氫能戰略》，歐盟將為天然氣管網(wǎng)中的氫氣輸送提供資金支持，并更新氣體質(zhì)量標準，以確保天然氣管網(wǎng)加氫后仍可在成員國之間使用。

歐盟的天然氣管道企業(yè)也表現出極大的熱情。2020年7月15日，歐盟9國11家天然氣管網(wǎng)企業(yè)聯(lián)合發(fā)布“歐洲氫能主干管網(wǎng)”倡議，計劃到2030年氫氣管網(wǎng)總長(cháng)度達到6800公里，到2040年達到2.3萬(wàn)公里，3/其中4條是改造后的天然氣管道。屆時(shí)，單位氫氣運輸成本將降至11-21歐分/公斤氫氣/公里，平均氫氣運輸成本約為制氫成本的2%，可滿(mǎn)足歐洲每年1130 TWh的能源需求。

美國也將天然氣管道輸送氫氣作為一項重要的戰略?xún)浼夹g(shù)。

自1960年以來(lái)，美國國家航空航天局、能源部、交通部和美國國家標準與技術(shù)研究院一直在資助與氫氣管道相關(guān)的研發(fā)工作，涵蓋基礎材料科學(xué)、管道安全、管道經(jīng)濟學(xué)和管網(wǎng)建模。還有氫氣市場(chǎng)。近兩年，美國能源部加快氫能研究和項目開(kāi)發(fā)，提出H2@Scale計劃，并投資1000萬(wàn)美元資助天然氣加氫研發(fā)示范項目。美國天然氣管道公司逐漸表現出濃厚的興趣，并提出了全國首個(gè)天然氣加氫計劃。2020年11月，南加州天然氣公司和圣地亞哥天然氣電力公司宣布在天然氣配送管網(wǎng)開(kāi)發(fā)氫摻混項目，摻氫比高達20%，并測試氫分離技術(shù)。

俄羅斯將天然氣管網(wǎng)中的氫氣輸送作為加強能源出口的重要手段。2020年7月，俄羅斯能源部公布了《氫能戰略發(fā)展路線(xiàn)圖》，提出利用天然氣和核電生產(chǎn)氫氣，通過(guò)天然氣管網(wǎng)出口氫氣，使氫氣成為繼天然能源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(chēng)俄氣)正在開(kāi)展天然氣管網(wǎng)摻氫試點(diǎn)項目，計劃向歐洲輸送含氫高達20%的富氫天然氣。俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司還對“北溪二號”管道進(jìn)行了混氫計劃。據介紹，改造后氫氣混合比可提高到70%。

我國應盡快部署天然氣管網(wǎng)運輸氫氣

我國天然氣管網(wǎng)正處于蓬勃發(fā)展階段，具備混氫的基本條件，但起步較晚。我國天然氣管道輸送技術(shù)成熟，體系框架基本形成。近年來(lái)，運輸能力顯著(zhù)提升，氫運輸潛力巨大。

根據《中國天然氣發(fā)展報告(2019)》，截至2018年底，我國天然氣干線(xiàn)管道總里程達到7.6萬(wàn)公里，管道輸送能力達到3200億立方米/年。如果氫氣按10%的比例混合，可形成每年320億立方米的氫氣輸送能力，可同時(shí)滿(mǎn)足7800個(gè)1000kg加氫站或114個(gè)50MW氫燃料電池發(fā)電廠(chǎng)的需求。

2019年以來(lái)，國家電投先后啟動(dòng)了遼寧省朝陽(yáng)市“可再生能源摻氫示范”和河北省張家口市“天然氣摻氫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應用示范”兩個(gè)示范項目，計劃直接使用富氫天然氣作為燃料用于工業(yè)取暖、爐灶和汽車(chē)。

建議加快天然氣管網(wǎng)氫輸運相關(guān)工作：一是統籌各方力量和資源，加強科研攻關(guān)。加大對天然氣加氫研發(fā)的財政、稅收和資金支持，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的管道焊接材料和焊接工藝，做好焊前預熱和焊后熱處理，提高天然氣管網(wǎng)與氫氣的相容性，減少管網(wǎng)氫脆問(wèn)題，減少氫泄漏的發(fā)生。開(kāi)發(fā)天然氣管網(wǎng)運行狀態(tài)監測管理系統，綜合評價(jià)天然氣管網(wǎng)運行過(guò)程中氫氣的適應性、可靠性和穩定性，及時(shí)發(fā)現氫氣泄漏，監測泄漏情況，第一時(shí)間做出反應。創(chuàng )新氫分離工藝設備，開(kāi)發(fā)機械強度好的高性能分離膜材料，提高膜兩側壓差上限;綜合運用變壓吸附技術(shù)和高性能膜技術(shù)，開(kāi)發(fā)出可高效分離天然氣氫氣的系統解決方案。加快閥門(mén)、壓力傳感器等壓縮機零部件國產(chǎn)化，降低壓縮機采購成本;加強壓縮機關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，提升增壓、能效等壓縮機性能，降低壓縮機運行成本。運用全生命周期概念，研究分析天然氣管網(wǎng)輸送氫氣的碳排放，明確減排效果;

二是及時(shí)推進(jìn)試點(diǎn)工作，積累典型示范工程經(jīng)驗。鼓勵制氫企業(yè)、天然氣管道企業(yè)和加氫站與氫氣用戶(hù)合作，開(kāi)展“制氫-摻氫-輸送-分離-應用”全產(chǎn)業(yè)鏈試點(diǎn)，積極探索典型制氫方法和氫氣應用天然氣管網(wǎng)氫氣輸送組合模式，根據項目實(shí)際情況調整科研重點(diǎn)，加快科技創(chuàng )新和成果轉化;

三是建立規范和標準，指導項目建設和運營(yíng)。開(kāi)展摻氫天然氣管道輸送及配套工藝技術(shù)標準規范研究，建立包括管道建設改造設計與施工、管道安全規范與檢測等在內的天然氣管道氫輸送標準體系，改造自然為企業(yè)提供燃氣管道和摻氫天然氣，為管道安全可靠運行提供技術(shù)標準指導。