中國儲能網(wǎng)訊：近日，以“新質(zhì)加速 氫動全球”為主題的2025國際氫能儲存運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新大會在河北廊坊舉行。大會由中國石油管道局工程有限公司主辦，來自氫能儲運(yùn)領(lǐng)域的國內(nèi)外專家聚焦氫能儲運(yùn)的“卡脖子”難題，共同探討氫能儲運(yùn)技術(shù)的最新進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)趨勢，旨在打造氫能“制儲輸運(yùn)”一體化平臺，引領(lǐng)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。
□本報記者 馬 玲
當(dāng)前，全球能源結(jié)構(gòu)正經(jīng)歷大變革。氫能作為清潔、高效、可再生的二次能源，成為推動全球能源低碳化和構(gòu)建新型能源體系的關(guān)鍵一環(huán)。我國氫能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展雖已初具雛形，在制氫與用氫關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用示范，但氫能大規(guī)模儲運(yùn)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距。氫能儲運(yùn)作為制氫與用氫之間的橋梁和紐帶，其能力不足是制約氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；闹匾蛩?，對穩(wěn)步構(gòu)建氫能儲運(yùn)體系、促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展至關(guān)重要。
輸氫管道建設(shè)里程占比
地下空間儲氫是大規(guī)模和長期儲氫的最佳選擇
鹽穴、枯竭油氣藏和含水層儲氫是我國今后實(shí)施大規(guī)模儲氫的發(fā)展方向
隨著氫能的不斷發(fā)展和普及，地下儲氫庫作為一種具有潛力的儲存方式，可以滿足未來對氫氣大規(guī)模使用的需求，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)。地下儲氫庫可作為氫能與其他能源之間的橋梁，平衡能源供需之間的時間差，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。
我國風(fēng)能、太陽能等可再生資源豐富，但存在分布不均、利用率低等問題。北京碳中和學(xué)會副秘書長馮武軍認(rèn)為，未來氫儲能可解決棄風(fēng)棄電問題。氫的長距離儲運(yùn)將以天然氣管道摻氫或新建純氫管道輸氫為主，充分利用汽柴油煉化區(qū)域的油氣管道網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)有機(jī)液態(tài)儲運(yùn)氫，中短距離氫儲運(yùn)則以多種儲運(yùn)技術(shù)結(jié)合，并因地制宜發(fā)展。
儲氫需要較大儲存空間，具有體積大、可承受高壓等優(yōu)點(diǎn)的深部地下空間是儲氫的理想場所。大規(guī)模儲氫的介質(zhì)主要分為地上儲罐和地下儲氫庫，地上儲罐通常適合小規(guī)模和短期儲存；地下儲氫庫具有安全性高、儲存空間大、建造運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)，地下空間儲氫（UHS）是大規(guī)模和長期儲存氫氣的最佳選擇。根據(jù)氫氣的含量可分為摻氫地下儲存和純氫地下儲存。根據(jù)儲氫庫的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，可分為鹽穴、枯竭油氣藏和含水層儲氫庫。
中國石油大學(xué)（華東）教授、山東省油氣與新能源儲運(yùn)安全省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李玉星認(rèn)為，我國在深部地下空間儲能方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，但地下儲氫技術(shù)還處于初步階段，在流體力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)及地球化學(xué)等方面存在亟須解決的問題。東部沿海地區(qū)的油氣藏多為規(guī)模小、構(gòu)造缺陷大的油氣藏，利用其枯竭油氣藏進(jìn)行地下儲氫無法滿足大規(guī)模儲氫的需求，而利用地下鹽穴和含水層儲氫較為可行。以我國內(nèi)陸西北地區(qū)為例，其沉積盆地眾多，面積在1000平方千米以上的盆地有65個，含油氣盆地資源豐富，油氣成藏條件優(yōu)越，利用其枯竭油氣藏進(jìn)行地下儲氫更為可行。
地下儲氫機(jī)制涉及氫氣在地下巖層中的儲存和釋放過程，主要依賴地質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)特性，通過結(jié)構(gòu)捕獲、殘余捕獲、溶解捕獲、礦物捕獲和吸附等機(jī)制實(shí)現(xiàn)氫氣在巖層中的儲層與釋放。
李玉星認(rèn)為，目前關(guān)于地下空間大規(guī)模儲氫仍存在許多難題，對地下儲氫需要全面分析和深入研究，從微觀、介觀和宏觀不同角度進(jìn)行總結(jié)，推進(jìn)地下儲氫技術(shù)創(chuàng)新。
管道輸氫是未來大規(guī)模輸送氫能的首選
管道輸氫是點(diǎn)對點(diǎn)規(guī)模輸送成本最低的輸運(yùn)方式，并能降低道路資源占用
氫氣的運(yùn)輸方式主要有車輛運(yùn)輸、管道運(yùn)輸和航海運(yùn)輸，氫能儲運(yùn)是連接上游制氫和下游用氫的橋梁，目前，運(yùn)輸成本占?xì)淠芙K端售價的比例為40%~50%，是制約綠氫大范圍應(yīng)用的最后一公里。相比其他方式，管道輸氫因覆蓋范圍最廣，具有經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，成為氫能大規(guī)模輸送的首選。管道輸氫分為兩種，一種是將氫氣提純后用于燃料電池等的純氫輸送；另一種是摻氫輸送，利用現(xiàn)有或新建天然氣管道，摻入一定比例的氫氣，從而實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模、長距離輸送。
我國氫氣輸送系統(tǒng)建設(shè)滯后于國外，現(xiàn)有氫氣輸送管道總里程僅約400千米，已建項(xiàng)目以化工園區(qū)應(yīng)用為主。2021年以來，隨著氫能規(guī)模擴(kuò)大，我國輸氫管道建設(shè)速度不斷加快，現(xiàn)有輸氫管道里程接近1000千米，預(yù)計到2030年，高壓氫氣長輸管道建設(shè)里程將達(dá)到3000千米。目前，我國已將天然氣管道摻氫納入氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃，支持開展摻氫天然氣管道、純氫管道等試點(diǎn)示范，穩(wěn)步構(gòu)建氫能儲運(yùn)體系。
管道輸送雖然前期投入費(fèi)用較高，但從長遠(yuǎn)看，能顯著降低氫能運(yùn)輸成本、提高輸送效率和安全性。馮武軍認(rèn)為，管道是氣基能源規(guī)?；l(fā)展的核心基礎(chǔ)設(shè)施，管道輸送是點(diǎn)對點(diǎn)規(guī)模輸送成本最低的輸運(yùn)方式，并能降低道路資源占用，最具經(jīng)濟(jì)性。純氫管道通過控制輸送環(huán)境，可有效避免氫氣污染和泄漏等問題，確保輸送的氫氣質(zhì)量穩(wěn)定可靠，輸氫經(jīng)濟(jì)性有望達(dá)到天然氣輸送成本水平。
綠氫的主要來源是風(fēng)光等電解水制氫，但風(fēng)光的波動性與下游市場供應(yīng)的連續(xù)性需求相矛盾。中國石油天然氣管道工程有限公司（管道設(shè)計院）副總經(jīng)理李國輝認(rèn)為，對大規(guī)模連續(xù)輸送而言，長距離管道運(yùn)輸相較長管拖車和液氫槽車運(yùn)輸優(yōu)勢明顯，可以解決資源與市場的空間錯配問題，但對下游冶金、化工、電子等行業(yè)連續(xù)性需求不能完全滿足，需要在電源側(cè)和儲運(yùn)側(cè)進(jìn)行調(diào)峰設(shè)置。
氫氣長輸管道的造價約為天然氣管道的2~3倍，改造現(xiàn)有管道所需投資約為建造1條新管道的10%~30%，將氫氣摻入現(xiàn)有天然氣管道輸送能大幅降低輸氫成本。目前，全球純氫管道主要分布在歐洲和美國。根據(jù)歐洲氫氣骨干網(wǎng)絡(luò)（EHB）規(guī)劃，歐洲將建設(shè)覆蓋28個歐盟國家的氫氣管網(wǎng)，構(gòu)建形成五大氫能供應(yīng)走廊，預(yù)計總長在2030年達(dá)到2.8萬千米，到2040年達(dá)到5.3萬千米，其中60％由現(xiàn)有的天然氣管道改造、40％為新建的純氫管道。在主干線配備壓縮系統(tǒng)下，EHB網(wǎng)絡(luò)能充分滿足歐洲2050年約6800萬噸的氫能需求。
全球天然氣管道總里程約135萬千米，我國天然氣管道總長約12.4萬千米，基本形成貫穿全國的天然氣輸送系統(tǒng)。2030年，我國氫氣管道將達(dá)到3000千米。國際上，荷蘭、德國、法國等先后開展了系列摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)應(yīng)用示范項(xiàng)目，我國天然氣摻氫尚處在示范研究階段。
中國石油天然氣管道工程有限公司（管道設(shè)計院）工藝專業(yè)總工何紹軍認(rèn)為，管道輸氫的成本遠(yuǎn)低于其他方式，基于目前輸氫管道的現(xiàn)狀及面臨的主要問題，應(yīng)盡快建立輸氫管道標(biāo)準(zhǔn)體系，對部分關(guān)鍵問題持續(xù)開展研究，并支撐標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)更新。氫能儲運(yùn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要在行業(yè)龍頭帶領(lǐng)下，聯(lián)合高等院校、科研院所、上下游企業(yè)和關(guān)鍵設(shè)備制造商等聚焦行業(yè)“卡脖子”問題，攻關(guān)核心技術(shù)與關(guān)鍵裝備研發(fā)，加快完善氫氣管輸標(biāo)準(zhǔn)體系，戰(zhàn)略性統(tǒng)籌規(guī)劃氫氣長輸管道建設(shè)，大力推動技術(shù)創(chuàng)新和工程示范，助力氫經(jīng)濟(jì)時代到來。
國家管網(wǎng)集團(tuán)工程技術(shù)創(chuàng)新有限公司新能源工程技術(shù)中心主任喻斌認(rèn)為，我國開展天然氣摻氫管道輸送研究較晚，雖進(jìn)行了城燃管道或試驗(yàn)平臺摻氫示范應(yīng)用，但尚未實(shí)現(xiàn)天然氣長輸管道摻氫的實(shí)際應(yīng)用，干線管道摻氫輸送評價及改造、摻氫氣體分離提純、管道安全等技術(shù)成熟度與國外相比存在差距。我國天然氣管道中高鋼級管道占比高，干線天然氣管道摻氫涉及各類終端用氣設(shè)備，安全的摻氫比例亟待進(jìn)行深入系統(tǒng)研究。管道公司應(yīng)通過企業(yè)聯(lián)盟或聯(lián)合項(xiàng)目，提出純氫管網(wǎng)頂層規(guī)劃，改造管道與新建管道共同構(gòu)成干線管道主體，加速向大口徑、高壓力、大輸量方向發(fā)展。
安全可靠的儲運(yùn)是氫能發(fā)展的關(guān)鍵
氫能儲運(yùn)面臨長距離輸氫成本高、材料與裝備國產(chǎn)化率不足等挑戰(zhàn)
與天然氣相比，氫氣具有分子量小、點(diǎn)火能低、燃燒和爆炸極限范圍寬、擴(kuò)散快、燃燒快等特點(diǎn)，在制取、存儲、運(yùn)輸及使用過程中，存在性質(zhì)不穩(wěn)定易發(fā)生泄漏等風(fēng)險。
中國能源研究會副秘書長宋暢表示，氫能儲運(yùn)面臨長距離輸氫成本高、材料與裝備國產(chǎn)化率不足、國際標(biāo)準(zhǔn)體系尚未統(tǒng)一等挑戰(zhàn)，應(yīng)以開放促創(chuàng)新，構(gòu)建全球技術(shù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，推動跨學(xué)科、跨領(lǐng)域融合，攻克“卡脖子”難題；以標(biāo)準(zhǔn)促聯(lián)通，與相關(guān)機(jī)構(gòu)攜手共同制定儲運(yùn)技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)與安全規(guī)范，探索建立跨國氫能貿(mào)易基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，為氫能跨境流動提供制度保障；以場景促應(yīng)用，加速氫能在工業(yè)、交通、儲能等領(lǐng)域的多場景示范，形成“技術(shù)突破-市場驅(qū)動-產(chǎn)業(yè)升級”的良性循環(huán)。
目前，全世界的氫氣管道約4500千米，其中美國的輸氫管道2600千米，已運(yùn)行超過25年，已有氫氣管道均未發(fā)生因氫脆導(dǎo)致的失效事故。加拿大皇家科學(xué)院院士、加拿大工程院院士、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家程玉峰認(rèn)為，氫脆是一個總體概念，描述進(jìn)入金屬中的氫原子所導(dǎo)致的金屬性能退化的各種現(xiàn)象。氫脆現(xiàn)象具有的獨(dú)特特征，與在高壓氣相環(huán)境下氫原子的生成及在鋼材表面的吸附/吸收機(jī)制密切相關(guān)。理論上，輸氫管道在高壓氫氣環(huán)境中會發(fā)生氣相氫脆，現(xiàn)實(shí)中，氫氣管道的一些運(yùn)行狀況可抑制或遲滯氣相氫脆發(fā)生。
何紹軍建議研究純氫、摻氫天然氣對我國典型管線鋼材料和關(guān)鍵輸送設(shè)備產(chǎn)生氫脆和氫腐蝕的影響機(jī)理，綜合分析摻氫天然氣與現(xiàn)役管道及設(shè)備的相容性；不同摻氫比下，天然氣管道及關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備泄漏、積聚、擴(kuò)散規(guī)律，摻氫比對管道安全事故的影響；純氫、摻氫智能監(jiān)測和應(yīng)急修復(fù)等保障技術(shù)，管道輸送風(fēng)險定量評估、安全性和可靠性評價方法；摻氫天然氣管道輸送相應(yīng)設(shè)施設(shè)備、輸送工藝，制定摻氫天然氣管道輸送技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全運(yùn)行技術(shù)體系，出臺相應(yīng)法律法規(guī)和政策。
喻斌認(rèn)為，輸送工藝差別較大，亟待研究符合我國國情的高壓純氫及摻氫天然氣管道設(shè)計技術(shù)體系，打通氫能儲運(yùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，促進(jìn)氫能“制儲輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展。目前，我國輸送工藝方面的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)存在空白或尚不明確的技術(shù)要求，尚未制定氫氣質(zhì)量管理和認(rèn)證技術(shù)規(guī)范，現(xiàn)有的管道完整性管理方法主要適用于長輸油氣管道或常規(guī)燃?xì)夤艿?，輸氫管道完整性管理缺少系統(tǒng)化研究，亟須形成運(yùn)行維護(hù)全過程的輸氫管道完整性關(guān)鍵技術(shù)。
濟(jì)源—洛陽輸氫管道線路總長約25千米，管徑508毫米，設(shè)計壓力4兆帕，年輸氫量10.04萬噸，于2015年建成，是當(dāng)時我國管徑最大、壓力最高、輸量最多的氫氣管道，參與該項(xiàng)目服役管道分析的清華大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師陳祥在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對濟(jì)洛線服役工況下純氫管線鋼的氫脆進(jìn)行分析后認(rèn)為，氫脆是由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生塑性下降、斷裂或損傷的現(xiàn)象。降低材料中可擴(kuò)散的氫濃度、控制層錯能和相變、降低材料中的應(yīng)力、改善服役環(huán)境等是降低氫脆的方法。天津鋼管制造有限公司教授級高工李艷認(rèn)為，結(jié)合實(shí)際工況，管道破裂、泄漏、金屬損失等最危險，可通過開發(fā)氫環(huán)境下更有效的評價方法來推動氫能應(yīng)用。
何紹軍認(rèn)為，根據(jù)國內(nèi)外研究資料和成果，輸送摻氫3%~10％的天然氣管道，在管道系統(tǒng)影響、設(shè)備材料選擇、爆炸危險區(qū)域的影響、緊急放空、火災(zāi)安全等方面的要求基本與天然氣管道輸送類似。有效防止輸氫管材氫致失效，在環(huán)境條件（設(shè)計壓力、氫含量確定）一定的情況下，應(yīng)從降低壁應(yīng)力和材料本身的氫脆敏感性兩個方面采取措施。
國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道有限公司科技數(shù)字中心副主任王東營認(rèn)為，在役天然氣管道摻氫輸送面臨的問題主要是混氫輸送條件下材料相容性、管輸工藝與規(guī)范、摻氫管道完整性管理。在役天然氣管道摻氫輸送適應(yīng)性評價需要一管一評，長輸管道摻氫輸送適應(yīng)性評價的大樣本取樣要求、評價流程及評價指標(biāo)需進(jìn)一步明確。含缺陷管道摻氫輸送安全評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制修訂有待開展，以指導(dǎo)在役天然氣管道缺陷評估及長周期安全運(yùn)行。
寶鋼股份中央研究院首席研究員章傳國認(rèn)為，我國高壓輸氫管道建設(shè)尚在探索階段，純氫管道體系尚未形成，可借鑒國外做法，對新建管道進(jìn)行相關(guān)氫脆性能評價，積累數(shù)據(jù)為遠(yuǎn)期轉(zhuǎn)換成氫管道做好鋪墊，考慮管道作為能量載體，要同時具備輸氫和儲氫的功能。
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●氫脆：氫脆是一個總體概念，描述進(jìn)入金屬中的氫原子所導(dǎo)致的金屬性能退化的各種現(xiàn)象。管道中觀察到的氫脆現(xiàn)象具有一些獨(dú)特特征，這些特征與在高壓氣相環(huán)境下氫原子的生成以及在鋼材表面的吸附/吸收機(jī)制密切相關(guān)。
●氫鼓泡：常見于低強(qiáng)度、高塑性金屬。
●氫輔助開裂：氫原子與應(yīng)力協(xié)同作用下導(dǎo)致的金屬開裂，也稱為氫應(yīng)力開裂。
●氫致塑性與韌性降低：氫原子導(dǎo)致金屬脆化，對其強(qiáng)度影響較小。
我國長距離輸氫管道建設(shè)情況
