中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：國(guó)內(nèi)的氫氣管網(wǎng)建設(shè)按下“快進(jìn)鍵“。
3月出臺(tái)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）明確，將統(tǒng)籌推進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中包括推進(jìn)開(kāi)展摻氫天然氣管道、純氫管道等試點(diǎn)示范，以穩(wěn)步構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲(chǔ)運(yùn)體系。
近日，玉門(mén)油田輸氫管道工程建設(shè)開(kāi)工，將于6月底建成甘肅首條中長(zhǎng)距離輸氫管道。今年以來(lái)，以寧夏寶廷新能源有限公司至寧夏沃凱瓏新材料有限公司氫氣輸送管道、中國(guó)石油玉門(mén)油田公司輸氫管道工程為代表的輸氫管道啟動(dòng)建設(shè)。
無(wú)論是政策還是項(xiàng)目推進(jìn)上，我國(guó)的氫能管網(wǎng)建設(shè)都明顯加快。當(dāng)前我國(guó)的輸氫管道建設(shè)目前處于怎樣的水平？規(guī)模性的氫能管網(wǎng)建設(shè)何時(shí)到來(lái)？又將對(duì)氫能行業(yè)產(chǎn)生怎樣的影響？
氫能“血管”建設(shè)起步
安全高效的輸氫技術(shù)是氫能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的前提。依據(jù)氫在輸送時(shí)所處狀態(tài)的不同，可分為氣態(tài)輸氫、液態(tài)輸氫和固態(tài)輸氫。
其中高壓氣態(tài)輸氫是現(xiàn)階段最為成熟的輸氫方式。根據(jù)氫的輸送距離、用氫要求以及用戶(hù)的分布情況，高壓氫氣可以通過(guò)氫氣管道和長(zhǎng)管拖車(chē)進(jìn)行輸送，對(duì)于輸送量大且距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，利用管道輸送是最為高效的方式。
根據(jù)輸送距離分類(lèi)，管道輸氫又分為長(zhǎng)距離管道輸氫和短距離管道輸氫，前者主要用于制氫單元與氫氣站之間的高壓氫氣的長(zhǎng)距離、大規(guī)模輸送，輸氫壓力較高、管道直徑較大、建設(shè)難度大、成本高。后者主要用于氫氣站與各個(gè)用戶(hù)之間的中低壓氫氣的配送，輸氫壓力較低，管道直徑較小，建設(shè)成本較低。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式，又可分為純氫管道和天然摻氫管道。純氫管道的鋪設(shè)難度大，初始投資成本較高，是氫能管網(wǎng)建設(shè)的終極目標(biāo)形態(tài)；在氫能發(fā)展初期，綜合經(jīng)濟(jì)性與可行性，存在利用現(xiàn)有的天然氣管道，將氫氣加壓后輸入，使氫氣與天然氣混合輸送的天然氣摻氫管道方式。
從輸氫管道建設(shè)需求來(lái)看，無(wú)論是與煤炭工業(yè)緊密相連的工業(yè)副產(chǎn)氫，還是可再生能源制氫資源，主要集中在北方內(nèi)陸地區(qū)，而東部沿海地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展超前，氫能需求量巨大。發(fā)展多點(diǎn)供應(yīng)的氫能管網(wǎng)體系是解決區(qū)位氫源供需錯(cuò)配的根本途徑，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，也能促進(jìn)全網(wǎng)氫氣價(jià)格平衡，從而建立統(tǒng)一的氫能市場(chǎng)價(jià)格體系，實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的整體降本和推廣。
從實(shí)際建設(shè)情況來(lái)看，我國(guó)純氫管道建設(shè)處于起步階段，規(guī)模較小，總里程約400公里，已建項(xiàng)目以化工園區(qū)內(nèi)應(yīng)用為主，具體如下：
備注：根據(jù)公開(kāi)信息整理，存在遺漏可能
上述純氫管道建設(shè)項(xiàng)目主要分布在環(huán)渤海灣、長(zhǎng)三角等地。其中定州—高碑氫氣管道工程是國(guó)內(nèi)首條氫燃料電池的氫氣管道工程，也是打造京津冀的氫走廊之一，能夠滿(mǎn)足遠(yuǎn)期整個(gè)京津冀燃料電池的用氫需求。在設(shè)計(jì)規(guī)模上基于各省市出臺(tái)的燃料電池或新能源的相關(guān)規(guī)劃，以及周邊的供氫情況，對(duì)北京、天津、雄安新區(qū)、保定、高碑店、定州、石家莊、廊坊等地進(jìn)行了供氫預(yù)測(cè)。
天然氣摻氫管道建設(shè)方面，也已經(jīng)有廣東海底摻氫管道項(xiàng)目、朝陽(yáng)天然氣摻氫示范項(xiàng)目、張家口摻氫天然氣管道示范項(xiàng)目、寧夏天然氣摻氫降碳示范化工程中試項(xiàng)目展開(kāi)先行探索。
整體而言，我國(guó)的管道輸氫建設(shè)需求巨大，目前相關(guān)建設(shè)已經(jīng)起步，但仍以示范項(xiàng)目為主，距離規(guī)模化推廣尚有距離。
規(guī)模化氫能管網(wǎng)還有多遠(yuǎn)？
首當(dāng)其沖的是技術(shù)問(wèn)題。從可行性較高的摻氫管道分析，研究表明，含20%體積比氫氣的天然氣氫氣混合燃料可以直接使用天然氣輸運(yùn)管道，無(wú)需任何改造，運(yùn)輸結(jié)束后對(duì)混合氣體進(jìn)行氫氣提純。天然氣中的氫濃度為 5%~20% 時(shí)用氫地區(qū)采用膜分離方法從混合氣中提取氫，氫濃度低于 5% 時(shí)采用混合氣重整制氫方法，由此既不增加CO?排放，也具有長(zhǎng)距離輸氫的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性。
但摻氫天然氣混合了烷、氫氣、水、二氧化碳、氧氣等多組份，不同組成的協(xié)同反應(yīng)對(duì)碳素鋼、二碳化鋼等材料的疲勞裂紋擴(kuò)張速率比在氫氣當(dāng)中的還要加快。目前國(guó)內(nèi)外均未找到一種普世性的可推廣、可復(fù)制的技術(shù)，面對(duì)摻氫天然氣不同組成對(duì)管道材料的性能影響。
純氫管道采用的鋼鐵材料面臨著建設(shè)成本高、氫脆等一系列問(wèn)題，而鋼管成型工藝、焊縫質(zhì)量、缺陷大小、鋼材強(qiáng)度等因素都會(huì)影響其失效概率，低成本、高強(qiáng)度的抗氫脆材料、高性能的氫能管道的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、氫能管道的運(yùn)行和控制技術(shù)以及應(yīng)急和維護(hù)的技術(shù)等仍需攻克。
以及配套的標(biāo)準(zhǔn)體系及產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)。我國(guó)已發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50177-2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB4962-2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》僅適用于供氫站、車(chē)間內(nèi)氫氣短距離配送管道，而可用于氫氣長(zhǎng)輸管道的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34542.5《氫氣儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)第5部分：氫氣輸送系統(tǒng)技術(shù)要求》正在編制過(guò)程中。
好在2021年標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)有了實(shí)質(zhì)性推進(jìn)，由西南市政總院負(fù)責(zé)主編的《城鎮(zhèn)民用氫氣輸配系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》、由北京市公用工程設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司主編的《氫氣輸送工業(yè)管道技術(shù)規(guī)程》、《關(guān)于公開(kāi)征求中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)〈天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程〉意見(jiàn)的通知》等相繼得到啟動(dòng)及批復(fù)，將助力我國(guó)輸氫管道政策體系的完善。
同年7月，國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司在廊坊發(fā)起創(chuàng)立“氫能輸送發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)合體”。該聯(lián)合體創(chuàng)立計(jì)劃集合了目前國(guó)內(nèi)頂尖的科研院所和綠色能源、氫氣制取、儲(chǔ)運(yùn)、加注領(lǐng)域的行業(yè)龍頭，比如國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)相關(guān)部門(mén)、中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司、清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院、寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院、隆基氫能科技有限公司、液空厚普氫能源裝備有限公司等，致力于為后續(xù)氫氣管道建設(shè)項(xiàng)目的推進(jìn)提供強(qiáng)力保障。
最后回歸到最根本的經(jīng)濟(jì)賬。由于20%以下體積比的天然氣摻氫不涉及管道重建成本，因此這里只計(jì)算混合氣體本身。目前中國(guó)的城市燃?xì)庖泽w積進(jìn)行計(jì)量，工業(yè)副產(chǎn)氫的價(jià)格（0.9～1.45 元 /m3）低于等體積天然氣的價(jià)格（1.8～3 元 /m3），若直接將工業(yè)副產(chǎn)氫摻混輸送至城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，具備一定的經(jīng)濟(jì)性。
未來(lái)隨著國(guó)家油氣管網(wǎng)設(shè)施的開(kāi)放和天然氣熱值計(jì)量條件的日益完善，熱值計(jì)量勢(shì)在必行，而氫氣的體積熱值約為天然氣的 1/3，當(dāng)氫氣價(jià)格降低至 0.6～1 元 /m3 時(shí)，氫氣摻入燃?xì)夤芫W(wǎng)具備商業(yè)價(jià)值。
而純氫管道氫氣運(yùn)輸?shù)某杀局饕ü潭ǔ杀荆ㄕ叟f費(fèi)、維護(hù)管理費(fèi)用等）和變動(dòng)成本 （包括氫氣壓縮耗電費(fèi)、油料費(fèi)等）。
以“濟(jì)源-洛陽(yáng)”項(xiàng)目為例，該輸氫管道長(zhǎng)度25km，總投資額1.46億元，年輸送能力10.04萬(wàn)噸，建設(shè)成本為584萬(wàn)元/km， 管道使用壽命 20 年。假設(shè)管道運(yùn)能的利用率達(dá)到 100%，以直線法折舊，管線配氣站的直接與間接維護(hù)費(fèi)用為投資額的15%，氫氣壓縮過(guò)程耗電1kwh/kg，電價(jià)0.6元/ kwh，且運(yùn)輸過(guò)程中氫氣損耗率8%，TC=(管道折舊費(fèi)用+維護(hù)及管道費(fèi)用)×輸送距離+年輸氫總量×氫氣壓縮費(fèi)+氫氣運(yùn)輸損耗×輸送距離，則可測(cè)算出長(zhǎng)度25m，年輸送能力10.04萬(wàn)噸的氫氣管道，運(yùn)氫價(jià)格為 0.86元 /kg。
由于壓縮每公斤氫氣所消耗的電量固定，管道運(yùn)氫成本增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)因素主要是與輸送距離正相關(guān)的管材折舊及維護(hù)費(fèi)用。當(dāng)輸送距離為 100km 時(shí)，運(yùn)氫成本為 1.20元/kg，約為同等距離下氣氫拖車(chē)成本的1/5。
但當(dāng)運(yùn)能利用率僅為 20%時(shí)，管道運(yùn)氫的成本已經(jīng)接近長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)氫。因此，在當(dāng)前加氫站尚未普及、站點(diǎn)較為分散的情況下，管道運(yùn)氫的成本優(yōu)勢(shì)并不明顯。當(dāng)氫氣下游需求足夠支撐大規(guī)模的氫能輸送，通過(guò)管道運(yùn)輸氫氣是一種降低成本的可靠方法。
綜上所述，無(wú)論是天然氣摻氫管道還是純氫管道，在技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)上距離規(guī)?；茝V仍需要一段時(shí)間，其經(jīng)濟(jì)性取決于下游用氫市場(chǎng)的需求，以氫車(chē)示范為火車(chē)頭，加上交通、工業(yè)、建筑、醫(yī)學(xué)、電力等諸多領(lǐng)域的用氫需求增長(zhǎng)，未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展，將持續(xù)催動(dòng)管道輸氫網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。
尤其氫能在我國(guó)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略定位已經(jīng)確立，基于長(zhǎng)期考慮下，氫能管網(wǎng)建設(shè)突破必須前置，才能保證多元化氫儲(chǔ)運(yùn)體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。
