長距離大規(guī)模管道輸氫之路在何方?

近期，隨著國內(nèi)氫能的快速發(fā)展，作為各種運輸方式中較為高效且低能耗、低成本的長距離氫能管道運輸逐漸被提上議事日程。雖然在國際上已有成功示范，國內(nèi)也不乏相關設施建設，但輸氫管道的發(fā)展并未與氫能的發(fā)展同步。那么，長距離輸氫管道的建設存在哪些問題?距離大規(guī)模氫能運輸還有多遠的路要走?記者就此進行了采訪。

氫能長輸管道建設箭在弦上

中國工程院院士韓恩厚在近日召開的第八屆中國國際管道會議(CIPC)上做主旨報告時談道，氫能是全球公認的二次清潔能源，發(fā)展十分迅速。在中國，管道輸氫的重要性不言而喻。

首先，從氫能產(chǎn)業(yè)鏈結構圖來看，分上游制氫、中游輸運氫和下游用氫三部分。其中上游制氫涉及煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣制氫、電解水制氫和其他工藝制氫，氫能來源極為廣泛，需要純化與液化。下游用氫方面，分為加氫和氫能綜合應用兩方面。氫能通過加氫站及壓縮機等設備，可以被大量用于交通如氫燃料電池車，工業(yè)如原材料、供電供熱，建筑如摻氫燃燒、發(fā)電等領域。制氫與用氫過程中都存在設備材料的氫損傷問題。

其次，根據(jù)中國資源稟賦，清潔能源生產(chǎn)基地主要分布于中西部和東北地區(qū)，能源消費端主要集中于東部及東南沿海地區(qū)。因此，構建現(xiàn)代化能源體系，尤其是建設大型能源通道(特高壓輸電、管網(wǎng)等)始終是提高我國能源供給保障能力的基礎。

韓恩厚介紹說，根據(jù)國外報道的結果，在不同氫能運輸方式下的成本對比中，管道氣態(tài)輸氫的運輸能力為100噸/小時，船舶為1000噸/船;管道輸氫總成本在0.1美元～1美元/千克·100千米，低于其他運輸方式;效率為99.2%/100千米，而船舶輸氫是99.7%/天。

國家管網(wǎng)研究總院新能源中心主任王維斌博士介紹說，自成立起，國家管網(wǎng)集團就加快推進天然氣“全國一張網(wǎng)”建設，目前已經(jīng)開始布局氫能等新興領域。當前全球能源格局正經(jīng)歷深刻變革，也處于轉(zhuǎn)型關鍵期，促進油氣管道與新能源深度融合，將有利于推動管道行業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展新階段。

“我們的‘全國一張網(wǎng)’建設與高速公路的性質(zhì)相同，布局氫能等新能源領域，建立四通八達的氫氣運輸管道就是為了搭建有如高速公路一般的運輸網(wǎng)絡，在更高的平臺上便捷聯(lián)通多個地區(qū)，更有效地串聯(lián)起氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游生產(chǎn)和下游需求。”王維斌說，目前國家管網(wǎng)集團正在建設其第一條純氫輸送管道——中能建石家莊鹿泉商用綠氫輸送管道。管道總長49.5千米，年輸氫量4800噸，服務于石家莊鹿泉區(qū)的工業(yè)用氫需求‌。該管道起于石家莊市鹿泉區(qū)石井鄉(xiāng)鹿泉制氫基地，止于石家莊市鹿泉區(qū)經(jīng)開區(qū)中國電科十三所信息產(chǎn)業(yè)園(一期)和普興電子二廠(二期)，旨在將鹿泉制氫基地所產(chǎn)氫氣輸送到園區(qū)和電子廠，生產(chǎn)半導體置換器等產(chǎn)品。目前制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堵點，就在于如何更高效地聯(lián)通氫能的產(chǎn)運銷用產(chǎn)業(yè)鏈。相較于船運、槽罐車液體輸送，長距離大規(guī)模的管網(wǎng)輸氫最為經(jīng)濟實惠，有利于通過低成本和大運輸量更好地解決氫能產(chǎn)運銷用貫通問題，從而促進氫能上下游的協(xié)同健康發(fā)展。

大規(guī)模管網(wǎng)建設存技術卡點

盡管我國已經(jīng)規(guī)劃了烏蘭察布到燕山、康保到曹妃甸、霍爾果斯到連云港等氫能長輸管道，但不可否認的是，由于氫能運輸管網(wǎng)建設的滯后，從中西部氫能生產(chǎn)到東南部需求之間還難以實現(xiàn)真正的匹配。那么大規(guī)模長距離氫能輸送管網(wǎng)建設的卡點在哪兒呢?

韓恩厚談道，管道輸氫的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)并存。優(yōu)點是：連續(xù)運輸、運量大、成本低、效率高;但挑戰(zhàn)是技術尚不成熟，安全風險高。

同樣是輸氫管道，專屬輸氫管道與天然氣管道摻氫的優(yōu)勢和問題也有所不同。在常溫高壓下，專屬輸氫管道的優(yōu)勢是：連續(xù)運輸、運輸量大、運輸過程能耗低，但問題是前期投資高，審批困難，且需確保上游氫源充足。天然氣管道摻氫運輸?shù)膬?yōu)勢是：可利用現(xiàn)有西氣東輸管道，減少前期投資成本，也可連線運輸，且運輸量大;問題是摻氫輸運的機理研究尚顯不足、難以跟上輸氫的迫切需求，相關操作參數(shù)如摻氫比等不確定，氫氣的摻入可能會降低管道的安全性。

韓恩厚說，其團隊目前已經(jīng)開展了多項相關研究工作，比如研發(fā)出了多因素耦合作用下的滲氫擴散與氫失效測試技術與裝備;證實了外腐蝕與內(nèi)氫協(xié)同作用增加了管線鋼的氫脆敏感性，因此在役天然氣管道輸氫應充分預評估;利用第一性原理計算獲得了氫分子在滑移臺階易解離—吸附—擴散，明確了管道的局部塑性形變會促進氫分子解離和擴散;建立了金屬管材和焊縫的氫促失效數(shù)據(jù)庫;制定了純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的慢應變速率試驗方法(測試標準)。特別是通過理論計算和實驗證明，微量氧和一氧化碳可以抑制氫的解離、滲透和氫脆，并建立了相應的模型，該結果有望成為保障輸氫管道安全的重要措施。

“但未來仍將面臨一些挑戰(zhàn)。”韓恩厚強調(diào)說。

首先，關于氣態(tài)氫下的管線鋼材料氫脆機理不明。盡管現(xiàn)有氫脆機理多，但是目前在管道輸氫上的爭議較大。這是由于不同材料體系間的多因素耦合作用所致。

第二，理論計算不深。目前計算結果較少，現(xiàn)代計算技術提供了良好機遇，需要進一步深入研究并進行一系列理論計算。

第三，缺乏先進試驗研究技術。雖然團隊發(fā)明了一些測試裝備并形成了發(fā)明專利，但目前的檢測和表征手段難以直接觀察到氫在管線鋼基體中的擴散路徑和分布特征。高通量試驗技術也較少。目前需要高通量且快速的試驗技術，但這些需要長期的研究，花費的時間長，代價大。

第四，多因素耦合作用機理和規(guī)律研究有待進一步加強。包括內(nèi)外腐蝕之間的作用、應力的促進作用以及氣體參數(shù)影響也有待進一步澄清。

“此外，很多臨氫材料和焊縫的氫損傷數(shù)據(jù)嚴重缺乏，如果不注意脆化韌性降低問題，一旦發(fā)生事故，后果不堪設想;摻氫/純氫輸運管線鋼的輸運參數(shù)選擇尚不明確，缺乏科學依據(jù);管道的摻氫/純氫輸運的風險評估技術缺乏、尚未形成安全評價標準;而且在役檢查技術仍有待深入研發(fā)，如缺乏基于機理的檢查技術;摻氫/純氫輸運管道的壽命預測理論目前尚未形成，缺乏氫損傷動力學數(shù)據(jù)與規(guī)律。針對上述一系列問題，亟需加大研發(fā)投入。”韓恩厚表示。

推進管網(wǎng)建設需標準先行

在第八屆中國國際管道會議(CIPC)上，國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司黨委書記、董事長張偉指出，在大口徑、高壓力氫能管道輸送成套技術上，國家管網(wǎng)已經(jīng)完成我國首次大尺度天然氣長輸管道摻氫燃爆工業(yè)驗證試驗，形成天然氣管道摻氫和純氫輸送成套技術及標準;同時牽頭編制了《天然氣管道摻氫輸送技術要求》《輸氫管道完整性管理》2項國家標準以及《在役天然氣管道適應性評價方法》《氣相氫環(huán)境管道斷裂韌性評估方法》2項ISO標準，為全球氫能管輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻管網(wǎng)智慧。

“我們受委托制定了氫失效測試技術行業(yè)標準，全稱為《金屬和合金的腐蝕 純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的慢應變速率試驗方法》，預計今年正式發(fā)布。”韓恩厚說。

中國石油管道局工程有限公司一級工程師王亮告訴記者，他們幫助張家口海泰氫能科技有限公司規(guī)劃的康保—曹妃甸氫氣長輸管道項目已經(jīng)河北省發(fā)改委批復并開始設計，主要是利用張北風光發(fā)電制綠氫，通過管道運送至曹妃甸工業(yè)園，兩地之間相距近1000千米。

“就氫能等新能源產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展而言，中游儲運端的作用變得越來越關鍵，但是中游的發(fā)展還需要政策的推動，單純依靠企業(yè)無法解決所有問題。此前，氫氣輸送管道建設并無明確標準依據(jù)，2024年12月25日新發(fā)布了由中國石油管道局工程有限公司主編的《輸氫管道工程設計規(guī)范》，將于2025年的6月份開始實施，為中游氫能運輸端打通了標準政策通道。”王亮說，目前其實行業(yè)內(nèi)對輸氫管道的認識不同、說法不一。有的人覺得應該對輸氫管道的可靠性設計制定更高的標準、有更高的要求，比如說環(huán)焊縫根部缺欠的容許范圍，也有人認為其與天然氣運輸管道沒有太大區(qū)別，可以按照天然氣管道相關標準建設。目前，國內(nèi)尚無長距離管道輸氫的具體實踐，因此，行業(yè)需要做的工作還很多。