近年来,国内氢能利用技术逐步发展,生产规模不断扩大。根据国家发改委、能源局的发展规划,到2050年氢能将成为能源结构的重要组成部分。然而氢气的来源并非均匀分布,这就需要将氢气运输到相应的市场。氢气的运输方式多种多样,目前仍以气态氢为主,管道运输被视为非常重要的氢气运输方式。
管道输氢
氢气的管道运输,是指在制氢工厂与氢气站、用氢单位等之间建设一定的管道,氢气以气态形式进行运输的方式。
根据输送距离,管道输氢分为长距离管道和短距离管道,前者主要用于制氢工厂与氢气站之间的长距离运输,输氢压力较高、管道直径较大。后者主要用于氢气站与各个用户之间的氢气配送,输氢压力较低,管道直径较小。
根据氢气纯度,又可分为天然气掺氢管道和纯氢管道,前者是指在氢能发展初期,利用现有的天然气管道,将氢气加压后输入,使氢气与天然气混合输送的方式。后者是指专门用于纯氢气运输的管道,但铺设难度大、投资成本较高,是氢能管网建设的终极目标形态。
大规模 长距离 低成本
未来,随着用氢需求量的增加,长管拖车这种运输方式无法满足客户需求。而管道作为规模化氢气输送重要方式,具有运输体量大、距离远、能耗损失低、经济高效等多重优势。以管道运能利用率60%为参考,将管道运输与长管拖车、液罐槽车运输成本进行对比,结果参见下图。可以看出,在未来长距离、大规模的氢气运输中,管道输氢成本低廉,经济高效,有望成为最优的运输模式。
三种运输方式成本对比
国内外发展现状
氢气管输已有80余年历史,全球范围内氢气输送管道总里程已超过5000km,绝大多数由氢气生产商运营,主要用于工业原料供应。国外氢气管道起步较早,美国、欧洲最早布局铺设氢气管道网络。目前输氢管道最多的国家是美国,总里程已经超过2700km;欧洲的氢气输送管道长度也达到1770km。
在管道输氢方面,我国研究起步相对较晚,输氢管道规模较小,总里程约400公里,在用管道仅有百公里左右,输送压力为4MPa。随着氢能快速发展,我国正加快氢气管道建设,已公布规划的氢气管道建设项目有10个,规划总长度将超1500km。
氢气管道建设标准
氢气管道的许多规范和标准与天然气管道相似,但两种气体物理性质差异较大,因此规范和标准还存在一些不同之处,不能直接采用天然气管道标准规范进行设计建设。我国虽然建成了部分氢气管道,已积累了一定的管道设计、施工、运行和维护经验,但还没有一套完整的氢气管道标准,目前相关部门正在编纂,亟待建立发布。
国际上,关于氢气长输管道的标准:主要有3个,美国机械工程师协会编制的ASME B31.12—2014 《氢用管道系统和管道》、适用于将氢气从制造厂输送到使用地的长输管道、分输管道和服务管线。另外就是欧洲压缩气体协会的 CGA G-5.6—2005(R2013)《氢气管道系统》和亚洲工业气体协会的AIGA 033/14 《氢气管道系统》。这两者内容基本一致,均适用于纯氢及氢混合物的输送和配送系统,仅限于气态产品,温度范围在-40~175 ℃之间,总压力为 1~21 MPa 。
技术亟待突破
因为管道材料与氢气长期接触,氢会侵入到材料内部,导致金属材料出现损减、裂纹扩张速度加快和断裂韧性的下降,从而产生氢脆、渗透和泄漏等风险。研究表明,氢气压力、纯净度、环境温度、管道强度水平、变形速率、微观组织等因素均会影响管道的损伤程度。此外,氢气对于管道配套的相关设施,如仪表、阀门等,也会有一定的影响。
中国工程院院士郑津洋,表示:氢气管道运输想要中国进行大规模商业化应用,主要存在两个的技术难关:一是关键技术,包括低成本、高强度的抗氢脆材料、高性能的氢能管道的设计制造技术、管道运行和控制技术以及应急和维护的技术;二是相关装备国产化,像大流量的压缩机,氢气计量的设备阀门、仪表等。
发展趋势
近年来,氢气作为一种清洁能源,被大家所熟知。世界主要能源大国均制定了氢能源发展目标和战略,投入研发力度巨大。有相关数据显示,到2030年,氢能产业将成为我国新能源战略的重要组成部分和新的经济增长点,高压氢气长输管道建设里程将达到3000km。随着氢能的发展与相关技术的成熟和完善,大规模集中制氢和氢的长距离运输是未来趋势。高效经济的管道运输方式,是氢能实现大规模商业化发展的重要方向。