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    氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其標(biāo)準(zhǔn)化

    2024-06-03 22:22:28熊慶人
    中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化 2024年5期
    關(guān)鍵詞:標(biāo)準(zhǔn)體系技術(shù)發(fā)展氫能

    摘 要:本文闡述了氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用等環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展情況,分析了實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)模化應(yīng)用需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在分析氫能領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法提出了氫能標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建建議。強(qiáng)調(diào)在氫能產(chǎn)業(yè)及氫能技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中,應(yīng)將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展同建立和發(fā)展氫能標(biāo)準(zhǔn)體系有機(jī)結(jié)合起來(lái),系統(tǒng)開(kāi)展氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作,以引領(lǐng)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展,促進(jìn)石油工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

    關(guān)鍵詞:氫能,技術(shù)發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)化,標(biāo)準(zhǔn)體系,構(gòu)建

    DOI編碼:10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.015

    0 引 言

    氫能是指以氫氣為能量載體,通過(guò)氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量,是一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源。氫能所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),使其在工業(yè)、交通、發(fā)電以及供熱等多領(lǐng)域可發(fā)揮燃料、原料等用途,是在工業(yè)、交通運(yùn)輸和建筑等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇,是應(yīng)對(duì)氣候變化、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要手段,氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

    氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng),涉及多個(gè)環(huán)節(jié),而標(biāo)準(zhǔn)是組織生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的依據(jù)。氫能產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域均急需標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支持,同時(shí)亦需要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮引領(lǐng)作用。

    1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈及氫能分類

    氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用等。氫氣制備是氫能應(yīng)用的基礎(chǔ),氫氣的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵,氫氣的經(jīng)濟(jì)有效利用是氫能產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)和價(jià)值體現(xiàn)[1]。

    氫能按制取過(guò)程及碳排放可分為:灰氫、藍(lán)氫和綠氫?;覛渲覆捎没剂现迫〉臍錃?,制氫過(guò)程中有大量的碳排放,生產(chǎn)成本相對(duì)較低。藍(lán)氫指采用化石燃料制取,并在制備過(guò)程中采用碳捕集、利用及封存技術(shù)(CCUS)的氫氣。綠氫指采用可再生能源或核能通過(guò)電解制取的氫氣,制氫過(guò)程無(wú)碳排放。

    目前,全球氫能主要以灰氫為主,占比達(dá)66%;其次為藍(lán)氫,占比為15%;綠氫僅占全球氫氣產(chǎn)量的4%左右[2]。隨著深度脫碳的需求增加和氫能成本經(jīng)濟(jì)性的提升,制氫結(jié)構(gòu)將從以化石能源制氫為主逐步過(guò)渡到以非化石燃料發(fā)電進(jìn)行電解水制氫為主的低碳制氫方式[3-4],即從灰氫到藍(lán)氫到綠氫的漸進(jìn)發(fā)展。

    2 制 氫

    2.1 制氫技術(shù)

    目前工業(yè)上制氫的方式有煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、副產(chǎn)氣(焦?fàn)t煤氣、氯堿等)制氫、電解水制氫等[5-6]。

    我國(guó)目前年制氫產(chǎn)量約330 0萬(wàn)t,居全球第一位。其中,煤制氫產(chǎn)能約1000萬(wàn)t/a;其次是工業(yè)副產(chǎn)氫,約800萬(wàn)t/a;天然氣制氫占10%;電解水制氫僅占4%。中國(guó)石化是國(guó)內(nèi)最大的氫氣生產(chǎn)企業(yè),年生產(chǎn)氫氣約390萬(wàn)t。

    2.2 化石燃料耦合 CCUS 制氫

    化石燃料制氫耦合CCUS是發(fā)展低碳制氫的重要且有效的技術(shù)路線。化石燃料制氫會(huì)伴隨產(chǎn)生大量的CO2,以化石燃料耦合CCUS,可將生產(chǎn)過(guò)程中排放的碳捕集封存起來(lái),并加以利用,從而有效減少碳排放量[4]。

    目前正在運(yùn)營(yíng)的美國(guó)A i r P r o d u c t s S t e a mMethane Reformer CCUS項(xiàng)目和加拿大Quest CCUS項(xiàng)目已應(yīng)用于制氫項(xiàng)目,CO2捕集規(guī)模均達(dá)到100萬(wàn)t/a。在建的低碳制氫耦合CCUS項(xiàng)目有:加拿大的Alberta Carbon Trunk Line with North West SturgeonRefinery CO2 Stream,英國(guó)的Northern GasNetworkH21、Hynet North West,以及愛(ài)爾蘭的Ervia CorkCCS 等項(xiàng)目,其捕集CO2規(guī)模分別為120~140萬(wàn) t/a、200萬(wàn) t/a、200萬(wàn) t/a、250萬(wàn) t/a。

    2004年華能集團(tuán)提出以煤氣化制氫、氫能發(fā)電為主,并對(duì)CO2進(jìn)行分離及處理的“綠色煤電”計(jì)劃,計(jì)劃建成“綠色煤電”示范工程。華能天津IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán))示范電站于2013年5月建成。

    2.3 不同技術(shù)路線制氫的對(duì)比

    我國(guó)不同技術(shù)路線制氫的特點(diǎn)及碳排放量等的對(duì)比見(jiàn)表1[2,4,7]。

    3 儲(chǔ)氫技術(shù)及加氫站

    3.1 儲(chǔ)氫技術(shù)

    幾種儲(chǔ)氫技術(shù)的對(duì)比如表2所示[7-8]。可見(jiàn),高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前應(yīng)用較為廣泛且發(fā)展較為成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)。

    3.2 加氫站

    最早的氫氣加注站始于1 9 8 0 年代美國(guó)L o s?Alamos的加氫站。全球加氫站數(shù)量自2016年以來(lái)呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),截至2021年底,全球在營(yíng)加氫站659座。從2021年全球加氫站分布情況來(lái)看,亞洲加氫站數(shù)量占比達(dá)到52.99%,歐洲與北美地區(qū)加氫站數(shù)量占比分別為33.28%與12.55%,其他國(guó)家或地區(qū)占比1.17%。

    截至2023年4月,我國(guó)已建成加氫站超過(guò)350座,約占全球總數(shù)的40%,位居世界第一位。隨著加氫站技術(shù)的成熟,全球加快了加氫站的布局,現(xiàn)階段歐美、日韓是主力,中國(guó)是增長(zhǎng)最快的國(guó)家[8]。

    4 輸 氫

    4.1 不同輸氫方式對(duì)比

    目前,氫氣的運(yùn)輸方式主要有集裝格、長(zhǎng)管拖車、管道、槽車等,現(xiàn)有輸送方式的特點(diǎn)如表3所示。在長(zhǎng)距離輸氫中,管道輸送具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力,相關(guān)各方正致力于推進(jìn)輸氫管道的建設(shè)。同時(shí),天然氣管道摻氫亦成為研究的熱點(diǎn)[9]。

    4.2 輸氫管道

    全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程已超5000 km。美國(guó)和歐洲的輸氫管道建設(shè)早、里程長(zhǎng),美國(guó)超過(guò)2720 km,歐洲超過(guò)1500 km。氫氣管道的輸送壓力主要在1~10 MPa之間,管徑多在150~457 mm之間,L245鋼級(jí)管道占比約20%,L290(X42)、L360(X52)鋼級(jí)管道占比約60%,管型為無(wú)縫鋼管或電阻焊管。

    我國(guó)的輸氫管道建設(shè)尚處于起步階段。國(guó)內(nèi)已建成和正在建設(shè)的輸氫管道有:濟(jì)源-洛陽(yáng)輸氫管道、巴陵-長(zhǎng)嶺輸送管線工程、金陵-揚(yáng)子氫氣管道、定州-高碑店氫氣管道工程、玉門(mén)油田輸氫管道、浙江石化輸氫管道(在建)等,管徑在219~508mm之間,鋼級(jí)多為L(zhǎng)245,個(gè)別為X42,輸送壓力在2.5~6 MPa之間,長(zhǎng)度在4.7~164.7 km之間。

    2023年4月中國(guó)石化“西氫東送”輸氫管道示范工程啟動(dòng),并被納入《石油天然氣“全國(guó)一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》。該管道全長(zhǎng)400多公里,是我國(guó)首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長(zhǎng)距離純氫輸送管道。管道一期運(yùn)力10萬(wàn)噸/年。

    4.3 摻氫管道

    歐美等多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了摻氫天然氣管道輸送的應(yīng)用基礎(chǔ)研究,以及天然氣管道摻氫示范項(xiàng)目,摻氫比例從2%到20%。截止2019年初,國(guó)際能源組織(IEA)數(shù)據(jù)顯示,各國(guó)有37個(gè)示范項(xiàng)目正在研究天然氣網(wǎng)絡(luò)中摻氫。國(guó)外部分摻氫管道項(xiàng)目情況如表4所示。

    國(guó)內(nèi)已建成的摻氫管道有:烏海-銀川焦?fàn)t煤氣管道、義馬-鄭州煤氣管線工程、國(guó)家電投朝陽(yáng)可再生能源摻氫示范項(xiàng)目、張家口天然氣摻氫示范項(xiàng)目、內(nèi)蒙古通遼隆圣峰規(guī)劃建設(shè)示范工程—甘旗卡綜合站至創(chuàng)業(yè)路純摻氫管道等,輸送壓力多為2.5 MPa。

    2023年4月16日,中國(guó)石油用現(xiàn)有天然氣管道長(zhǎng)距離輸送氫氣技術(shù)獲得突破,寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺(tái)在現(xiàn)有長(zhǎng)397 km的天然氣管道中的摻氫比例已逐步達(dá)到24%。

    5 氫能應(yīng)用技術(shù)

    氫氣兼具燃料、儲(chǔ)能、化工原料等多種屬性,在電力、交通、建筑、化工等多個(gè)行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間[10-12]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)目前約 90%~95% 的氫能應(yīng)用于石油化工、鋼鐵冶金[13],且以就近消納為主。國(guó)內(nèi)外對(duì)于綠色氫能應(yīng)用技術(shù)的理論探索與實(shí)踐主要聚焦于儲(chǔ)能、工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域。其中,氫燃料電池汽車是氫能應(yīng)用最受關(guān)注的領(lǐng)域,在部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模示范應(yīng)用。

    我國(guó)是世界上氫能產(chǎn)量最大的國(guó)家,同時(shí)具有世界上最完整的產(chǎn)業(yè)鏈和最大的消費(fèi)市場(chǎng),部分技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平,在氫能裝備生產(chǎn)制造上具備一定的優(yōu)勢(shì)[14]。但要實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)?;瘧?yīng)用,還面臨很多問(wèn)題,主要有:(1)氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本高、效率低,終端消費(fèi)成本高,相比傳統(tǒng)能源尚未形成商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)力。(2)氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)成熟度不高,部分基礎(chǔ)材料、核心技術(shù)或關(guān)鍵部件中的高端產(chǎn)品多為國(guó)外企業(yè)壟斷,如兆瓦級(jí)電解制氫裝備、儲(chǔ)氫瓶組、膜電極、氫循環(huán)泵、氫氣品質(zhì)檢測(cè)、氫氣泄漏測(cè)試等[14]。(3)可再生能源電解制氫技術(shù)尚處于研發(fā)階段,大規(guī)模氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不成熟,配套設(shè)施不完善。(4)安全性及管理體系有待完善。

    6 氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

    6.1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化工作現(xiàn)狀

    (1)國(guó)外

    國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和發(fā)達(dá)國(guó)家已制定和發(fā)布了多項(xiàng)與氫能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織設(shè)立了專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì),即:氫技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC 197),涵蓋氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、測(cè)量和使用的系統(tǒng)和設(shè)備領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。該技術(shù)委員會(huì)于1990年創(chuàng)立,目前設(shè)有1個(gè)SC、1個(gè)特別工作組、1個(gè)聯(lián)合工作組、1個(gè)技術(shù)咨詢委員會(huì)、17個(gè)WG。已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)18項(xiàng),24項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)正在制修訂。

    國(guó)外發(fā)布了輸氫管道的相關(guān)設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn),如美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)最早于20 08年發(fā)布了輸氫管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.12“Hydrogen Piping and?Pipelines”、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)發(fā)布了EIGA IGC Doc121/14“Hydrogen Pipeline Systems”、亞洲壓縮氣體協(xié)會(huì)發(fā)布了CGA-5.6“Hydrogen Pipeline System”等。

    天然氣摻氫標(biāo)準(zhǔn)的研究工作正在推進(jìn)。歐洲的HyReady和HIPS-Net等技術(shù)委員會(huì)和行業(yè)組織正在研究摻氫的標(biāo)準(zhǔn),歐盟委員會(huì)也正在研究氫在天然氣網(wǎng)絡(luò)中的作用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

    (2)國(guó)內(nèi)

    在國(guó)家相關(guān)政策的支持下,近些年來(lái)我國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)有了較大發(fā)展。經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn),“全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)SAC/TC 309”于2008年6月正式成立,目前已發(fā)布國(guó)標(biāo)34項(xiàng),正在制訂國(guó)標(biāo)10項(xiàng)。此外,與氫能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還有:GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50516—2010(2021年版)《加氫站技術(shù)規(guī)范》、GB4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》等。

    國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)正在積極研究制定輸氫/摻氫輸送管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司牽頭起草的石油天然氣行標(biāo)《天然氣摻氫輸送管材適用性評(píng)價(jià)方法》正在廣泛征求意見(jiàn),牽頭起草的中國(guó)石油集團(tuán)有限公司企標(biāo)《氫氣輸送管道工程用無(wú)縫鋼管》亦正在開(kāi)展立項(xiàng)工作。

    6.2 氫能標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

    當(dāng)前,在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的背景下,我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段,為適應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求、推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,需在系統(tǒng)梳理現(xiàn)有氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、明確氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域和標(biāo)準(zhǔn)需求的基礎(chǔ)上,建立氫能標(biāo)準(zhǔn)體系并系統(tǒng)開(kāi)展氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作,以引領(lǐng)和促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展。

    在構(gòu)建氫能標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí),應(yīng)運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法,針對(duì)氫能標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象及其相關(guān)要素所形成的系統(tǒng)進(jìn)行整體標(biāo)準(zhǔn)化研究,按照立足國(guó)情、統(tǒng)籌規(guī)劃、需求牽引、急用先行的原則,加強(qiáng)基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵核心標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。根據(jù)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化需求,建議氫能標(biāo)準(zhǔn)體系框架應(yīng)包括基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn),如圖1所示。其中,基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)位于標(biāo)準(zhǔn)體系框架的最底層,對(duì)各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)和管理標(biāo)準(zhǔn)形成支撐;各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)和管理標(biāo)準(zhǔn)是氫能標(biāo)準(zhǔn)體系框架的主體,用于指導(dǎo)各個(gè)環(huán)節(jié)的氫能產(chǎn)業(yè)。

    7 結(jié) 語(yǔ)

    在應(yīng)對(duì)氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、保障能源安全的全球背景下,發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、推動(dòng)能源革命、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型等的必由之路。在大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中,迫切需要對(duì)相關(guān)核心技術(shù)、關(guān)鍵材料產(chǎn)品等進(jìn)行研究攻關(guān),加大可再生能源的開(kāi)發(fā)利用,降低氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本;與此同時(shí),應(yīng)將氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同構(gòu)建和發(fā)展氫能標(biāo)準(zhǔn)體系緊密結(jié)合,加快配套標(biāo)準(zhǔn)的研制及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化,相信氫能產(chǎn)業(yè)定能在能源及相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)辟新天地。

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    作者簡(jiǎn)介

    熊慶人,通信作者,博士,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事石油管材及相關(guān)領(lǐng)域的材料性能與應(yīng)用研究以及標(biāo)準(zhǔn)化研究等工作。

    (責(zé)任編輯:袁文靜)

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