輸氫技術(shù)現(xiàn)狀分析及產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

張莎 李文柱 劉姝瑋 梁美茹 張?zhí)煲?/p>

摘要：當前我國氫能產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，眾多企業(yè)全力爭取在氫能時代占據(jù)更大的市場份額。目前我國氫能技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展已取得許多重大突破，但主要集中在上游制氫及下游氫能使用領(lǐng)域。本文以輸氫為切入點，對國內(nèi)輸氫技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)分析，并對國內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)標準規(guī)范歸類總結(jié)，以期進一步推進國內(nèi)對輸氫技術(shù)發(fā)展的重視，為國內(nèi)輸氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：氫能輸氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展標準規(guī)范

Current Situation Analysis of Hydrogen Transmission Technology and Overview of Industrial Development

ZHANG ShaLI WenzhuLIU Shuwei LIANG MeiruZHANG Tianyi

（China Nuclear Seventh Research and Design Institute Co.， Ltd.， Taiyuan， Shanxi Province， 030012China）

Abstract： At present， China's hydrogen energy industry is developing rapidly， and many enterprises are striving to occupy a larger market share in the era of hydrogen energy. At present， many breakthroughs have been made in the research and industrial development of hydrogen energy in China， but they are mainly in the fields of upstream hydrogen production and downstream hydrogen energy use. This article takes hydrogen transportation as the starting point， summarizes and analyzes the status quo of domestic hydrogen transportation technology and industry development， and categorizes and summarizes existing domestic standards and regulations， with a view to further promoting domestic attention to the development of hydrogen transportation technology， and provide a certain reference for the development of the domestic hydrogen transportation industry.

Key Words： Hydrogen energy， Hydrogen transport technology，Industrial development， Standard specification

發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的重要路徑，是我國大規(guī)模儲能需要的重要手段，也是我國建設(shè)以新能源為主體的新型能源系統(tǒng)、提高能源安全的重要舉措。可以預見，氫能作為重要的二次能源載體和化工原材料，在未來將在更大程度上地參與到國民經(jīng)濟中。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2021年11月，已有41個省市（地方）陸續(xù)發(fā)布氫能產(chǎn)業(yè)專項規(guī)劃，部分地市還出臺了區(qū)級氫能規(guī)劃。

在我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括制氫、氫儲運及加注氫[1]。其中，氫儲運對技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施要求較高，是目前產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重要問題，需要進一步加強技術(shù)攻關(guān)及基礎(chǔ)建設(shè)。

1 輸氫技術(shù)現(xiàn)狀及分析

輸氫方式主要有氣態(tài)、液態(tài)與固體3種[2]。其中，氣態(tài)和液態(tài)是目前國內(nèi)實現(xiàn)規(guī)模運輸?shù)妮敋浞绞剑腆w儲氫輸氫方式仍處于實驗室階段。

1.1 氣態(tài)輸運

氣態(tài)輸氫可分為長管拖車輸運和管道輸運兩種方式。長管拖車技術(shù)較為成熟，主要由高壓儲氫瓶組放置在拖車上組成。該技術(shù)是國內(nèi)氫氣近距離輸運的重要方式，加氫站外進氫氣均采用長管拖車輸運。國內(nèi)長管拖車以20MPa運氫為主，國外則已普遍發(fā)展到45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車[3]。

長輸管道輸氫能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、長距離運輸，運輸壓力通常為1.0～4.0MPa。管道輸氫主要有兩種方式，天然氣摻氫輸運與純氫輸運，我國氫網(wǎng)尚未規(guī)模化建設(shè)。管道輸運因“氫脆”現(xiàn)象所需的管材特殊性，導致建設(shè)初期成本較高，且需獲得相關(guān)部門許可。

1.2 液態(tài)輸送

將氫氣深冷成液態(tài)后，利用多種運輸工具實現(xiàn)液氫運輸。液氫輸運可大大提高運輸效率，但對液化設(shè)備要求高，投資大、能耗高。國內(nèi)液氫主要應用在航天和軍事領(lǐng)域，運輸方式以槽罐車為主，民用液氫相關(guān)配套設(shè)置尚未成熟，但國外液氫槽罐車已成為加氫站的重要外進氫氣來源。液氫還可利用雙層絕熱套管管道運輸，國內(nèi)目前只用于短距離輸送。

液體儲氫運輸是實現(xiàn)液態(tài)輸送的一種新型技術(shù)方式，利用催化劑與加熱等實現(xiàn)儲氫載體的加氫、放氫過程。儲氫載體主要有有機液體、液氨及甲醇等，其中有機液體儲氫的研究最為廣泛，已逐步向工業(yè)化推進。

1.3 固體輸送

利用輕質(zhì)儲氫材料作為載體，放入特定貨車的隨車低壓高密度固態(tài)儲罐來實現(xiàn)固體氫運輸，這種輸氫方式能夠增加單車運氫量，提高運氫安全性。主要的固體儲氫方式有金屬氫化物儲氫、碳納米管/納米炭纖維儲氫、活性炭吸附儲氫及玻璃微球儲氫等[4]。國內(nèi)固態(tài)儲氫主要通過金屬氫化物進行，但迄今尚未實現(xiàn)固態(tài)氫氣輸送規(guī)模化使用。

1.4 小結(jié)及分析

氫能產(chǎn)業(yè)初期發(fā)展階段，輸氫方式將主要以45MPa長管拖車、低溫液氫、管道（示范）輸運等為主。長輸管道一次性投資大、靈活性差，但建成后運輸成本最低。在氫管網(wǎng)建成之前，利用天然氣管網(wǎng)摻氫運輸也是可行的技術(shù)路線。液氫槽罐車也適用于長距離輸運，但目前液化成本較高，在未來突破技術(shù)和經(jīng)濟瓶頸后，將成為氫輸運的重要方式。

2 輸氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1輸氫產(chǎn)業(yè)總體概況

目前我國液氫運輸?shù)幕A(chǔ)尚不成熟，主要應用在航天和軍事領(lǐng)域，尚未達到民用水平;液氫管道運輸只應用在特殊場合。國外液氫運輸已進入規(guī)模化使用，液氫槽罐車已成為加氫站外進氫氣重要來源。

國內(nèi)主流輸氫方式仍為高壓氣態(tài)輸運，所需長管拖車運輸設(shè)備技術(shù)也相對成熟，已發(fā)展成長了一批相關(guān)企業(yè)。但隨車儲氫罐壓力等級和儲氫量與國際通用水平還存在一定差距。

我國氫氣運輸管道建設(shè)仍處于起步階段。全球范圍內(nèi)輸氫管道近5000km，其中歐洲氫氣長輸管道總長約1770km，美國總長超過2600km，國內(nèi)輸氫管道僅有約100 km。按照《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書》[5]預計，國內(nèi)氫氣管網(wǎng)建設(shè)到2030年將總計3000km。

2.2 國內(nèi)參與輸氫業(yè)務的主要企業(yè)

氫能目前已經(jīng)是繼儲能之后能源領(lǐng)域的新熱點，各大能源類企業(yè)紛紛布局氫能。2021年7月16日，國資委在國務院新聞發(fā)布會上提到，目前全國超過1/3的中央企業(yè)已經(jīng)在制定包括制氫、儲氫、加氫、用氫等全產(chǎn)業(yè)鏈的布局。以輸氫產(chǎn)業(yè)為例，中石油、中石化、寶武集團、國家能源集團、國家電投集團、三峽集團等央企已在該領(lǐng)域發(fā)展成長。國內(nèi)主要氫儲運企業(yè)下表1所示。

2.3 輸氫產(chǎn)業(yè)前沿水平

國外通常采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車運氫，運氫量最高可達700kg/車。國內(nèi)長管拖車氣瓶公稱壓力規(guī)定為10～30MPa，氫氣長管拖車仍以20MPa為主，運氫量300 kg/車左右。

澳大利亞2021年試點啟動天然氣管道改造成純氫運輸管道項目。德國Avacon公司將在薩克森·安哈爾特州的天然氣管網(wǎng)中摻約20%的氫。國內(nèi)目前已建管徑最大、壓力最高、輸量最高的濟源-洛陽氫氣管道，全長25m，管徑508mm，設(shè)計壓力4.0MPa。河北定州至高碑店氫氣長輸管道可行性研究項目是現(xiàn)有規(guī)劃建設(shè)最長的氫氣管道，全長約145km。國內(nèi)近些年先后開展了朝陽天然氣摻氫示范工程、寧夏天然氣摻氫降碳示范化工程中試項目及廣東海底摻氫管道項目等。

歐美日等國家的液氫儲運已進入規(guī)模化應用。俄羅斯的液氫儲罐容量最大可至437m3，儲氫量約100.59t。美國NASA建造有液氫用大型駁船，儲存容量可達1000m3。德國針對12萬m3大型液氫駁船已展開研究。我國液氫主要應用在航天領(lǐng)域，民用領(lǐng)域發(fā)展還不成熟。2020年鴻達興業(yè)建成國內(nèi)首條民用液氫生產(chǎn)線，2021年完成國內(nèi)首次民用液氫超長距離運輸，填補了民用液氫的空白。

固態(tài)儲氫已在國外燃料電池潛艇中投入商用，在規(guī)模儲氫中進行示范應用，國內(nèi)固態(tài)/液態(tài)儲氫技術(shù)也已有示范案例，但儲氫運輸技術(shù)尚未達到商業(yè)化使用。

2.4 輸氫行業(yè)現(xiàn)行標準規(guī)范

2.4.1 非長輸管道輸氫相關(guān)標準

目前，國內(nèi)輸氫方式主要以短距離高壓長管拖車為主。國內(nèi)液氫運輸也有一定的應用，集中在航天與軍事領(lǐng)域。表2與表3為國內(nèi)外非長輸管道輸氫的相關(guān)標準匯總表。

2.4.2 長輸管道輸氫標準

國內(nèi)氫氣管道建設(shè)量較少，管道直徑和設(shè)計壓力較低，相關(guān)標準體系仍不完善，目前國內(nèi)仍沒有適用于氫氣長輸管道的設(shè)計標準。僅與國標《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》《氫氣站設(shè)計規(guī)范》等[6]標準相對臨近，但其中介質(zhì)不包括氫氣，只起到參考作用。2021年中國標準化協(xié)會加大了推進力度，相關(guān)標準編制正在逐步開展。輸氫管道目前僅有國外標準《氫氣管道和管線》《氫氣管路和管道》《氫氣管道和管道系統(tǒng)用STP-PT-006設(shè)計指南》等供參考。

3 結(jié)語

在國家能源安全及環(huán)境問題的助推下，氫能的開發(fā)利用成為解決能源矛盾的重要方式之一。對比國外成熟的氫能輸運技術(shù)，國內(nèi)的輸氫技術(shù)在經(jīng)濟性和安全性上還存在一定的問題，亟需暢通氫能產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)循環(huán)。此外，需進一步充實與完善氫氣長輸管道的相關(guān)標準體系，為我國氫網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)提供支撐。國內(nèi)相關(guān)研究人員及單位應進一步加強對輸氫領(lǐng)域的重視，以促進輸氫技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1]張揚軍，彭杰，錢煜平，等.氫能航空的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)[J].航空動力，2021（1）：20-23.

[2]劉自亮，熊思江，鄭津洋，等.氫氣管道與天然氣管道的對比分析[J].壓力容器，2020，37（2）：56-63.

[3]曹軍文，覃祥富，耿嘎，等.氫氣儲運技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].石油學報（石油加工），2021，37（6）：1461-1478.

[4]陳東，陳廉.21世紀先進氫能載體材料產(chǎn)業(yè)化前景——質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）最佳氫燃料源[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2002（10）：31-34.

[5]凌文，劉瑋，李育磊，等.中國氫能基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學，2019，21（3）：76-83.

[6]張有渝，李平利，袁勇，等.輸氣管道與工業(yè)管道技術(shù)上的區(qū)別和對策[J].天然氣與石油，2020，38（2）：32-38.