北極星氫能網訊:在碳達峰、碳中和目標引領下，氫能發展雖已步入快車道，但依然受到氫氣運輸規模小、成本高的制約。利用天然氣管網運輸氫氣具有資本投入低、輸氫距離長、輸氫量可調等優點，是一種極具潛力的經濟、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，積極探索天然氣管網運氫的系統解決方案，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）
天然氣管網運氫的技術探索
氫能是一種清潔的二次能源，可實現跨部門、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揮系統性作用，幫助能源、交通、工業等部門深度脫碳。隨著各國碳中和目標的提出，減碳的緊迫性驟然增加，氫能產業發展將步入快車道。在氫能產業鏈“制、儲、運、加、用”五大環節中，氫氣運輸規模小、成本高的現狀亟待改變。
氫氣運輸規模小、成本高，是當前制約氫能發展的“卡脖子”環節。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。隨著技術的發展，運輸氣瓶的成本和長管拖車灌充氫氣的時間會出現一定程度的下降，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。
天然氣管網運氫優勢多，是一種理想的經濟、高效、大規模運輸方式。其原理是將氫氣摻入天然氣中，然后經天然氣管網運輸至目的地，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。據中國氫能聯盟估算，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。利用天然氣管網運氫可以解決大型管道建設項目難以獲得經濟支持的問題，通過相對較少的資本投入實現大規模、低成本的網絡化運輸能力；
其次，天然氣管網覆蓋范圍廣，可以實現氫氣長距離運輸。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。利用天然氣管網運氫，可以快速實現長距離運氫的目標，將氫氣產地與消費地連接起來。而且，天然氣管網接觸終端用戶多，可連通發電站、工業企業、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波動，能將可再生能源的波動性轉變為天然氣管網內氫氣輸送量的波動性，減輕可再生能源電力并網壓力。
天然氣管網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，可能引發安全問題。鋼管強度越高、氫氣濃度越高，氫脆現象就越嚴重。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域發生氫氣泄露的風險最高。同時，氫氣的擴散系數是甲烷的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。氫氣分離環節需要配置壓縮機，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。據美國能源部測算，壓縮機購置費用是氫氣分離環節最主要的成本，約占36%。
主要國家天然氣管網運氫實踐
歐盟將自身龐大的天然氣基礎設施視為發展氫能產業的獨特優勢。
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，摻氫經驗豐富，處于全球領先地位。在全球建成的26個天然氣管網摻氫示范項目中，有19個位于歐盟。
根據2020年7月8日歐盟委員會發布的《歐洲氫能戰略》，歐盟將為天然氣管網運氫提供資金支持，并更新氣體質量標準，以確保天然氣管網摻氫后還能在成員國之間順利連通。
歐盟的天然氣管網公司也表現出極高的積極性。2020年7月15日，歐盟9個國家的11家天然氣管網公司聯合發布《歐洲氫能主干管網》倡議，計劃到2030年輸氫管網總長度達到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工作，內容覆蓋基礎材料科學、管道安全、管道經濟學、管道網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，提出了H2@Scale計劃，出資1000萬美元資助天然氣摻氫研發示范項目。美國的天然氣管網公司也逐漸表現出濃厚興趣，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合圣地亞哥天然氣和電力公司宣布在天然氣配氣管網中開展摻氫項目，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《氫能戰略發展路線圖》，提出利用天然氣和核電制氫，通過天然氣管網摻氫實現氫氣出口，使氫氣成為繼天然氣之后的又一重要能源。俄羅斯天然氣工業公司（以下簡稱俄氣）正在開展天然氣管網摻氫試點項目，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劃，據介紹，改造后摻氫比例可以提升至70%。
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