輸氫技術接連突破，氫能規模化應用即將打開

　　氫能在能源轉型和邁向碳中和目標中，被很多國家視為“明星”清潔能源。世界主要發達國家和發展中國家，近年基本都出臺政策，大力支持氫能產業發展。美國、日本、德國、澳大利亞、韓國、印度等國家相繼制定了氫能發展戰略或規劃。

　　中國是世界第一產氫大國，也是氫能的第一消費大國。如果能把氫能產業經濟發展起來，不僅對能源轉型有巨大意義，還將造就一個十萬億規模的氫產業鏈市場。

　　雖然現在通過風光發電制綠氫的成本在不斷下降，但對氫能的大規模使用，全世界都面臨一個難題，那就是氫的儲運。氫作為元素周期表中的1號元素，分子非常小，在同等條件下(溫度、壓強)，氫氣熱運動的速度更快，更容易從容器的縫隙中逃逸，所以氫氣的儲存和運輸比較困難，按照目前的技術裝備，成本很高。

　　氫儲運作為制氫與用氫之間的紐帶和橋梁，也是制約氫能走向規模化應用的最大痛點，如果能克服技術障礙，經濟安全地實現氫能的儲運，對整條氫能產業鏈的持續發展至關重要。

　　最近，我國長距離、大規模輸氫技術接連傳來好消息。

　　4月16日，中國石油發布消息，用現有天然氣管道長距離輸送氫氣的技術獲得了突破。在寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺，管道中的氫氣比例已逐步達到24%。這為我國今后實現大規模、低成本的遠距離氫能運輸提供了技術支撐。

　　幾天前的4月10日，中國石化也發布消息，我國首個“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入石油天然氣“全國一張網”建設實施方案，標志著我國氫氣長距離輸送管道進入新發展階段。

　　“西氫東送”管道規劃起點位于內蒙古自治區烏蘭察布市，終點位于北京市的燕山石化，管道全長400多公里，經過內蒙古、河北、北京等3省(區、市)的9個縣區，是我國首條跨省區、大規模、長距離的純氫輸送管道。管道一期運力10萬噸/年，預留50萬噸/年的遠期提升潛力。

　　第三個好消息是，我國在固態儲運氫方面也有新進展。　4月13日，全球先進噸級鎂基固態儲運氫車在上海汽車會展中心亮相。該第一代噸級鎂基固態儲運氫車由上海氫楓能源技術有限公司聯合上海交通大學氫科學中心共同研發制造，助力我國固態儲氫技術邁上新一級臺階。

　　該儲運氫車以鎂合金為介質，通過鎂與氫氣的可逆反應進行氫氣儲運，單車儲氫量是當前主流儲氫方式——高壓氣態儲氫的3倍至4倍，且存儲狀態為常溫常壓，解決了高壓氣態儲氫的高壓爆炸風險，實現更安全、高效、經濟的氫氣儲運，是當前氫氣儲運環節的一項創新性技術。

　　這些技術突破或項目落地，將加快氫能全產業鏈的建設和規模化應用。

　　01 管道輸送是大規模長距離輸氫的必然

　　目前，汽車運輸仍是我國長距離氫氣運輸的主流方式。這種方式成本較高、效率較低，而且運輸距離有限，是造成終端用氫成本高的主要原因之一。

　　以鎂合金為介質的固態儲運氫技術創新，當然很有價值，但如果要實現大規模、長距離的輸送，必須要像天然氣一樣用管道輸送，才能具有經濟性。

　　輸氫管道運量大、能耗低、邊際成本低，是實現規模化氫輸運的重要方式，將成為氫能產業可持續發展的必然趨勢。中石化的“西氫東送”純氫管道和中石油的摻氫管道，都是助力氫能產業大規模發展的基礎建設保障。

　　目前中石油這條天然氣管道中的氫氣比例已逐步達到24%，也就是說每輸送100立方米摻氫天然氣，其中就包括了24立方米的氫氣。經過了100天的測試運行，這條397公里長的天然氣管線，整體運行安全穩定。

　　專家表示，截止到2022年底我國油氣管道的總里程達到18.5萬公里。以目前我國天然氣消費量計算，當摻氫比達到20%時，可運輸1000多萬噸氫氣，約合5600多億度綠電，氫氣成本也會大幅度下降。

　　我國為什么要從西部往東部運輸呢?為什么不就地生產，避免長途運輸呢?

　　目前我國東部地區也是有氫氣資源的，但是這些氫氣大都是石化企業的工業副產氫氣，也就是工業生產中附帶生產出來的氫氣，雖然在使用的時候是無污染的，但是在生產氫氣的時候是會產生一定的碳排放，因此這些氫氣也被業內叫做灰氫。

　　中國石油大學(北京)教授孫仁金表示，我們國內的氫基本上99%都是灰氫，也就是說從天然氣、從化石能源發展的氫，那這個氫其實它是碳排放還是比較嚴重的，而且這個成本也比較高。如果用灰氫，就達不到減少碳排放的目的。

　　如用光伏或者風電設備取得的電，對水進行電解生產出來的氫，碳排放比較少，被稱為“綠氫”。而想發展綠氫，西部地區無疑是首選。我國內蒙古、新疆、甘肅、寧夏、青海、山西、河北等地風光綠電資源富足，這意味著我國西部地區和北部地區具有大規模綠氫資源。另外，我國東部地區和南部地區經濟發達，氫能無論是工業應用還是民用，都具有巨大市場潛力。因此，我國氫能產銷區域特點與天然氣極為相似，需要發展“西氫東送”和管道輸氫。

　　02 管道輸氫的難點是什么

　　由于氫氣密度小、擴散系數大、易對材料力學性能產生劣化，所以目前國際上對于如何而高效運輸氫氣，都處于技術研究和攻關階段。

　　當然，利用管道輸送氫氣歷史已經很久了，早在1938年，德國就建成了世界上第一條氫氣長輸管道，全長215公里，主要用于化工廠氫資源匹配利用，但成本也非常高，只是小規模和特殊場景使用。

　　如果要擴大應用場景，就需要在管道輸送技術上不斷突破。

　　氫進入金屬材料內部易導致材料力學性能下降，管輸工況下，由于內外應力綜合影響，易出現氫鼓泡、氫致裂紋、延性降低等損傷，大大增加管材失效可能性。這就是所謂“氫脆”現象。

　　具體來說，就是金屬材料在高壓氫環境中服役時，氫分子能夠分解成氫原子滲透入金屬材料內部，造成材料的性能劣化(即“氫脆”)。氫脆表現為“H2吸附到金屬表面 → 分解成H原子 → 滲透進金屬內部 → 在金屬內部擴散 → 聚集 → 引發氫致裂紋等”。當管道中存在足夠的氫含量、對氫敏感的金相組織、應力集中這3個條件時，易導致管道氫脆開裂。

　　國際上雖已建成一定規模輸氫管道并正常運營，且這些管道基本采用低等級鋼材，氫損傷管材問題并不是很突出，但由于運行壓力較低、設計偏保守，管道綜合輸送效率普遍不高。

　　研究開發高強度或耐氫脆管材，加快實現氫氣管輸系統降本增效，是滿足當前規模化氫儲運需求的重要途徑，國內外在這方面已開展大量研究，包括氫致金屬材料損傷機理、氫與管材相容性、氫對焊縫性能影響、焊接工藝，以及新型非金屬管材開發等。

　　03 我國輸氫管道處于什么位置

　　隨著氫氣利用量增大和應用場景多樣化，目前全球范圍內氫氣輸送管道規模越來越大，總里程已超過4600公里。

　　美國氫氣管道規模最大，總里程達到2720公里，其中建有全球最大的氫氣供應管網，全長965公里、連接22個制氫廠，向墨西哥沿岸的煉油廠和化工廠供應純氫，輸氫量達到150萬標準立方米/小時。

　　歐洲輸氫管道總里程目前也已超過1500公里，其中法國建有世界上最長的氫氣管道，從法國北部一直延伸至比利時，全長約402公里。近年來，在“雙碳”戰略下氫能產業迅猛發展，尤其是在綠氫技術推動下，規模化氫儲運需求日益顯現，輸氫管道建設已被列入世界各國氫能產業規劃。

　　歐盟正在規劃西班牙、法國與葡萄牙之間的跨國輸氫管道;德國提出將在全國范圍內建設5900公里輸氫管道，并與挪威聯合建設兩國跨國輸氫管道;預計到2040年，歐洲將建成4萬公里氫氣輸送管道。

　　我國氫能產業整體起步較晚，現有氫氣輸送管道總里程約400公里，其中由我國自主建設的較長距離的典型純氫輸送管道有3條，總里程不足100公里。“雙碳”目標下，我國也在加快推進氫能基礎設施建設，河北已啟動建設定州—高碑店氫氣管道工程，全長164.7公里，年最大輸送量10萬噸，供應燃料電池用氫。

　　來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客 郭郭 參考文獻詳見公眾號環球零碳