氫能在能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fēng)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(shù)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(yīng)用的最大痛點,如果能克服技術(shù)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(guān)重要。
最近,我國長距離、大規(guī)模輸氫技術(shù)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(shù)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(shù)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(shè)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(yù)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?!?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(shù)有限公司聯(lián)合上海交通大學(xué)氫科學(xué)中心共同研發(fā)制造,助力我國固態(tài)儲氫技術(shù)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(yīng)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(fēng)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(shù)。
這些技術(shù)突破或項目落地,將加快氫能全產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)和規(guī)模化應(yīng)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?。這種方式成本較高、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(shù)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)?;瘹漭斶\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(chǔ)建設(shè)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(xué)(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(fēng)電設(shè)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(fēng)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(yīng)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(xué)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(shù)研究和攻關(guān)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(yīng)用場景,就需要在管道輸送技術(shù)上不斷突破。
氫進入金屬材料內(nèi)部易導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降,管輸工況下,由于內(nèi)外應(yīng)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(yīng)力集中這3個條件時,易導(dǎo)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(shè)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)?;瘹鋬\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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shù)推動下,規(guī)?;瘹鋬\需求日益顯現(xiàn),輸氫管道建設(shè)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(shè)5900公里輸氫管道,并與挪威聯(lián)合建設(shè)兩國跨國輸氫管道;預(yù)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(shè)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(chǔ)設(shè)施建設(shè),河北已啟動建設(shè)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(yīng)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
評論