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(dāng)前我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展，眾多企業(yè)全力爭(zhēng)取在氫能時(shí)代占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。目前我國(guó)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(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)輸氫技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，并對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范歸類(lèi)總結(jié)，以期進(jìn)一步推進(jìn)國(guó)內(nèi)對(duì)輸氫技術(shù)發(fā)展的重視，為國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要路徑，是我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能需要的重要手段，也是我國(guó)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(yù)見(jiàn)，氫能作為重要的二次能源載體和化工原材料，在未來(lái)將在更大程度上地參與到國(guó)民經(jīng)濟(jì)中。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年11月，已有41個(gè)省市（地方）陸續(xù)發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃，部分地市還出臺(tái)了區(qū)級(jí)氫能規(guī)劃。

在我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括制氫、氫儲(chǔ)運(yùn)及加注氫[1]。其中，氫儲(chǔ)運(yùn)對(duì)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(wèn)題，需要進(jìn)一步加強(qiáng)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(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模運(yùn)輸?shù)妮敋浞绞剑腆w儲(chǔ)氫輸氫方式仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。

1.1 氣態(tài)輸運(yùn)

氣態(tài)輸氫可分為長(zhǎng)管拖車(chē)輸運(yùn)和管道輸運(yùn)兩種方式。長(zhǎng)管拖車(chē)技術(shù)較為成熟，主要由高壓儲(chǔ)氫瓶組放置在拖車(chē)上組成。該技術(shù)是國(guó)內(nèi)氫氣近距離輸運(yùn)的重要方式，加氫站外進(jìn)氫氣均采用長(zhǎng)管拖車(chē)輸運(yùn)。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車(chē)以20MPa運(yùn)氫為主，國(guó)外則已普遍發(fā)展到45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長(zhǎng)管拖車(chē)[3]。

長(zhǎng)輸管道輸氫能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)距離運(yùn)輸，運(yùn)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(yùn)與純氫輸運(yùn)，我國(guó)氫網(wǎng)尚未規(guī)?；ㄔO(shè)。管道輸運(yùn)因“氫脆”現(xiàn)象所需的管材特殊性，導(dǎo)致建設(shè)初期成本較高，且需獲得相關(guān)部門(mén)許可。

1.2 液態(tài)輸送

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

液體儲(chǔ)氫運(yùn)輸是實(shí)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫載體的加氫、放氫過(guò)程。儲(chǔ)氫載體主要有有機(jī)液體、液氨及甲醇等，其中有機(jī)液體儲(chǔ)氫的研究最為廣泛，已逐步向工業(yè)化推進(jìn)。

1.3 固體輸送

利用輕質(zhì)儲(chǔ)氫材料作為載體，放入特定貨車(chē)的隨車(chē)低壓高密度固態(tài)儲(chǔ)罐來(lái)實(shí)現(xiàn)固體氫運(yùn)輸，這種輸氫方式能夠增加單車(chē)運(yùn)氫量，提高運(yùn)氫安全性。主要的固體儲(chǔ)氫方式有金屬氫化物儲(chǔ)氫、碳納米管/納米炭纖維儲(chǔ)氫、活性炭吸附儲(chǔ)氫及玻璃微球儲(chǔ)氫等[4]。國(guó)內(nèi)固態(tài)儲(chǔ)氫主要通過(guò)金屬氫化物進(jìn)行，但迄今尚未實(shí)現(xiàn)固態(tài)氫氣輸送規(guī)?；褂?。

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(zhǎng)管拖車(chē)、低溫液氫、管道（示范）輸運(yùn)等為主。長(zhǎng)輸管道一次性投資大、靈活性差，但建成后運(yùn)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(yùn)輸也是可行的技術(shù)路線。液氫槽罐車(chē)也適用于長(zhǎng)距離輸運(yùn)，但目前液化成本較高，在未來(lái)突破技術(shù)和經(jīng)濟(jì)瓶頸后，將成為氫輸運(yùn)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(guó)液氫運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)尚不成熟，主要應(yīng)用在航天和軍事領(lǐng)域，尚未達(dá)到民用水平;液氫管道運(yùn)輸只應(yīng)用在特殊場(chǎng)合。國(guó)外液氫運(yùn)輸已進(jìn)入規(guī)?；褂?，液氫槽罐車(chē)已成為加氫站外進(jìn)氫氣重要來(lái)源。

國(guó)內(nèi)主流輸氫方式仍為高壓氣態(tài)輸運(yùn)，所需長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)也相對(duì)成熟，已發(fā)展成長(zhǎng)了一批相關(guān)企業(yè)。但隨車(chē)儲(chǔ)氫罐壓力等級(jí)和儲(chǔ)氫量與國(guó)際通用水平還存在一定差距。

我國(guó)氫氣運(yùn)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(zhǎng)輸管道總長(zhǎng)約1770km，美國(guó)總長(zhǎng)超過(guò)2600km，國(guó)內(nèi)輸氫管道僅有約100 km。按照《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》[5]預(yù)計(jì)，國(guó)內(nèi)氫氣管網(wǎng)建設(shè)到2030年將總計(jì)3000km。

2.2 國(guó)內(nèi)參與輸氫業(yè)務(wù)的主要企業(yè)

氫能目前已經(jīng)是繼儲(chǔ)能之后能源領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，各大能源類(lèi)企業(yè)紛紛布局氫能。2021年7月16日，國(guó)資委在國(guó)務(wù)院新聞發(fā)布會(huì)上提到，目前全國(guó)超過(guò)1/3的中央企業(yè)已經(jīng)在制定包括制氫、儲(chǔ)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(tuán)、國(guó)家能源集團(tuán)、國(guó)家電投集團(tuán)、三峽集團(tuán)等央企已在該領(lǐng)域發(fā)展成長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)主要?dú)鋬?chǔ)運(yùn)企業(yè)下表1所示。

2.3 輸氫產(chǎn)業(yè)前沿水平

國(guó)外通常采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)氫，運(yùn)氫量最高可達(dá)700kg/車(chē)。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車(chē)氣瓶公稱壓力規(guī)定為10～30MPa，氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)仍以20MPa為主，運(yùn)氫量300 kg/車(chē)左右。

澳大利亞2021年試點(diǎn)啟動(dòng)天然氣管道改造成純氫運(yùn)輸管道項(xiàng)目。德國(guó)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(guó)內(nèi)目前已建管徑最大、壓力最高、輸量最高的濟(jì)源-洛陽(yáng)氫氣管道，全長(zhǎng)25m，管徑508mm，設(shè)計(jì)壓力4.0MPa。河北定州至高碑店氫氣長(zhǎng)輸管道可行性研究項(xiàng)目是現(xiàn)有規(guī)劃建設(shè)最長(zhǎng)的氫氣管道，全長(zhǎng)約145km。國(guó)內(nèi)近些年先后開(kāi)展了朝陽(yáng)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(xiàng)目及廣東海底摻氫管道項(xiàng)目等。

歐美日等國(guó)家的液氫儲(chǔ)運(yùn)已進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用。俄羅斯的液氫儲(chǔ)罐容量最大可至437m3，儲(chǔ)氫量約100.59t。美國(guó)NASA建造有液氫用大型駁船，儲(chǔ)存容量可達(dá)1000m3。德國(guó)針對(duì)12萬(wàn)m3大型液氫駁船已展開(kāi)研究。我國(guó)液氫主要應(yīng)用在航天領(lǐng)域，民用領(lǐng)域發(fā)展還不成熟。2020年鴻達(dá)興業(yè)建成國(guó)內(nèi)首條民用液氫生產(chǎn)線，2021年完成國(guó)內(nèi)首次民用液氫超長(zhǎng)距離運(yùn)輸，填補(bǔ)了民用液氫的空白。

固態(tài)儲(chǔ)氫已在國(guó)外燃料電池潛艇中投入商用，在規(guī)模儲(chǔ)氫中進(jìn)行示范應(yīng)用，國(guó)內(nèi)固態(tài)/液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)也已有示范案例，但儲(chǔ)氫運(yùn)輸技術(shù)尚未達(dá)到商業(yè)化使用。

2.4 輸氫行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

2.4.1 非長(zhǎng)輸管道輸氫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)輸氫方式主要以短距離高壓長(zhǎng)管拖車(chē)為主。國(guó)內(nèi)液氫運(yùn)輸也有一定的應(yīng)用，集中在航天與軍事領(lǐng)域。表2與表3為國(guó)內(nèi)外非長(zhǎng)輸管道輸氫的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯總表。

2.4.2 長(zhǎng)輸管道輸氫標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)氫氣管道建設(shè)量較少，管道直徑和設(shè)計(jì)壓力較低，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系仍不完善，目前國(guó)內(nèi)仍沒(méi)有適用于氫氣長(zhǎng)輸管道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。僅與國(guó)標(biāo)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》等[6]標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)臨近，但其中介質(zhì)不包括氫氣，只起到參考作用。2021年中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)加大了推進(jìn)力度，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制正在逐步開(kāi)展。輸氫管道目前僅有國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)《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(jì)指南》等供參考。

3 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)家能源安全及環(huán)境問(wèn)題的助推下，氫能的開(kāi)發(fā)利用成為解決能源矛盾的重要方式之一。對(duì)比國(guó)外成熟的氫能輸運(yùn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)的輸氫技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和安全性上還存在一定的問(wèn)題，亟需暢通氫能產(chǎn)業(yè)鏈的可持續(xù)循環(huán)。此外，需進(jìn)一步充實(shí)與完善氫氣長(zhǎng)輸管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，為我國(guó)氫網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)提供支撐。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員及單位應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)輸氫領(lǐng)域的重視，以促進(jìn)輸氫技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

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