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● 儲(chǔ)氫技術(shù)按照氫的物理形態(tài)可分為氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫三種技術(shù)路線。
● 氨和甲醇是氫基能源目前主要的衍生品類，運(yùn)輸方式比較成熟，一般以液態(tài)形式通過車、船、鐵路以及管道等方式進(jìn)行運(yùn)輸。
● 相比于車船運(yùn)輸?shù)瘸Ｒ?guī)運(yùn)輸方式，管網(wǎng)運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫基能源大規(guī)模、長距離輸送最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)能的方案。
氫基能源規(guī)模化儲(chǔ)存和運(yùn)輸是氫基能源大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)，高效率、低成本的儲(chǔ)輸方式是降低氫基能源終端應(yīng)用成本的關(guān)鍵因素之一。
氫基能源的大規(guī)模、長距離管道運(yùn)輸在國內(nèi)外均有較為成熟運(yùn)行案例，目前國內(nèi)正處于氫基能源規(guī)?；l(fā)展的起步階段，預(yù)期為適應(yīng)氫基能源大規(guī)模發(fā)展與應(yīng)用的要求，未來氫基能源將形成以管道承擔(dān)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，以其他運(yùn)輸方式承擔(dān)中短距離運(yùn)輸?shù)木C合輸運(yùn)系統(tǒng)。
氫基能源儲(chǔ)存技術(shù)
儲(chǔ)氫技術(shù)按照氫的物理形態(tài)可分為氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫三種技術(shù)路線。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是氫儲(chǔ)存最直接的方式。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是指通過高壓將氫氣壓縮到一個(gè)耐高壓的容器或地下儲(chǔ)氣庫中，其儲(chǔ)氫量與儲(chǔ)存壓力成正比，目前應(yīng)用最多的儲(chǔ)氫容器是儲(chǔ)氣罐和車載儲(chǔ)氫瓶，壓力最高可達(dá)到70兆帕級(jí)。高端碳纖維技術(shù)不夠成熟且復(fù)合材料成本較高，是目前制約國內(nèi)高壓儲(chǔ)氫發(fā)展的主要因素，未來高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展，低成本的適用于高壓臨氫環(huán)境的新材料是研發(fā)的重點(diǎn)。地下儲(chǔ)氫是指利用地下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行大規(guī)模的氫存儲(chǔ)，即將氫氣注入鹽穴、枯竭油氣藏或含水層等地下地質(zhì)構(gòu)造中儲(chǔ)存起來。地下儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)存規(guī)模大、儲(chǔ)存周期長、儲(chǔ)存成本低、安全性高四大優(yōu)勢(shì)，與地面儲(chǔ)氫相比，地下儲(chǔ)存的氫氣不與大氣中的氧氣接觸，爆炸危險(xiǎn)性更低。
液態(tài)儲(chǔ)氫包含低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫兩種技術(shù)路線。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫基本原理是將氫氣壓縮冷卻至-253℃使其液化，并儲(chǔ)存在低溫絕熱容器中，液氫密度可達(dá)70.78千克每立方米。氫氣液化系統(tǒng)和儲(chǔ)氫容器是氫氣低溫液化儲(chǔ)存的關(guān)鍵裝置。低溫液態(tài)儲(chǔ)氫具備儲(chǔ)量大、純度高、占地小、充裝快等優(yōu)勢(shì)，但由于氫氣液化溫度低，使得液化系統(tǒng)能耗高，且對(duì)儲(chǔ)氫容器絕熱要求高。有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫是利用氫氣與有機(jī)介質(zhì)發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存和釋放，烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液態(tài)有機(jī)物是目前較為常見的有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫介質(zhì)。
固態(tài)儲(chǔ)氫是利用氫元素與載體材料反應(yīng)生成化學(xué)鍵，將氫分子固定在固體化合物中的一種儲(chǔ)氫方式。加氫后的儲(chǔ)氫材料能夠以固態(tài)形式保存氫，從根本上解決了高壓氫氣泄漏和儲(chǔ)氫容器氫脆等安全問題，保證了氫儲(chǔ)運(yùn)的安全性。根據(jù)吸附原理的不同，一般將固態(tài)儲(chǔ)氫材料分為物理吸附儲(chǔ)氫材料和化學(xué)吸附儲(chǔ)氫材料，物理吸附儲(chǔ)氫材料包括碳基材料、無機(jī)多孔材料和金屬有機(jī)骨架化合物等；化學(xué)吸附儲(chǔ)氫材料主要包括金屬氫化物、配位氫化物、化學(xué)氫化物等，目前金屬氫化物研究最為成熟。目前研究較多的化學(xué)吸附儲(chǔ)氫材料包括金屬氫化物和輕質(zhì)金屬化合物，其中，金屬氫化物研究較為成熟。固態(tài)儲(chǔ)氫的體積儲(chǔ)氫密度高、安全性好，是一種有前景的儲(chǔ)氫方式，然而，目前固態(tài)儲(chǔ)氫的缺點(diǎn)在于儲(chǔ)氫材料在室溫下儲(chǔ)氫量過低，且吸附材料的制備昂貴，導(dǎo)致固態(tài)儲(chǔ)氫商業(yè)化程度較低。
氨通常以液體形式儲(chǔ)存，其儲(chǔ)存技術(shù)成熟，根據(jù)不同的操作壓力與溫度環(huán)境，液氨儲(chǔ)存可分為壓力儲(chǔ)存、低溫儲(chǔ)存、半冷凍儲(chǔ)存等3種類型。甲醇是一種輕質(zhì)、易揮發(fā)、無色、易燃的有機(jī)化合物，常溫常壓下呈液態(tài)，存儲(chǔ)難度低。
氫基能源常規(guī)車船運(yùn)輸
長管拖車是最普遍的氣態(tài)氫運(yùn)輸方式。由于氫氣密度小，儲(chǔ)氫容器自重大，長管拖車實(shí)際運(yùn)氫重量僅為總運(yùn)輸重量的1%～2%，因此長管拖車運(yùn)氫適用于運(yùn)輸距離短且輸氫量較低的場(chǎng)景。
由于液態(tài)氫的密度遠(yuǎn)高于氣態(tài)氫，液氫運(yùn)輸適用于運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)、輸氫量較高的場(chǎng)景。目前國內(nèi)多采用槽車運(yùn)輸液氫，液氫槽車運(yùn)輸方式相較于20兆帕氣態(tài)長管拖車運(yùn)氫方式，可使單車運(yùn)氫重量提高約9倍，裝卸時(shí)間減少約1倍，且液氫槽車運(yùn)輸在液化過程中還能提高氫氣純度，一定程度上節(jié)省了提純成本。液氫槽車單位運(yùn)氫成本主要與載氫量有關(guān)，目前液氫槽車單車載氫量可達(dá)4000千克，液氫槽車運(yùn)氫成本約13.5元/千克。遠(yuǎn)距離運(yùn)輸條件下，液氫槽車運(yùn)氫成本優(yōu)勢(shì)較為明顯。
液氫運(yùn)輸在美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)已實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的應(yīng)用，2022年由日本川崎重工業(yè)公司制造的全球第一艘液化氫運(yùn)輸船，成功將澳大利亞液氫運(yùn)抵日本。
氨通常以液體形式運(yùn)輸，運(yùn)輸技術(shù)非常成熟，液氨的運(yùn)輸方式包括水路船運(yùn)、公路罐車、鐵路罐車以及管道運(yùn)輸。甲醇常態(tài)下為液態(tài)，其運(yùn)輸方式包括水路船運(yùn)、公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和管道運(yùn)輸。
氫基能源規(guī)?；\(yùn)輸
相比于車船運(yùn)輸?shù)瘸Ｒ?guī)運(yùn)輸方式，管網(wǎng)運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)氫基能源大規(guī)模、長距離輸送最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)能的方案。
天然氣管道摻氫運(yùn)輸是指將氫氣以一定體積比例摻入天然氣中形成摻氫天然氣(HCNG)，并通過現(xiàn)有天然氣管道進(jìn)行輸送。雖然國際上與中國部分區(qū)域已開展了天然氣摻氫的相關(guān)示范工作，但現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)的大規(guī)模摻氫仍面臨諸多困難，需要逐步予以解決。
國內(nèi)已建輸氫管道目前普遍采用低鋼級(jí)(20號(hào)鋼、L245N)管道，中低壓力(≤4兆帕)運(yùn)行，研究表明輸送氫氣壓力越高，管線鋼材的氫脆敏感性越大。近年，國外開始研制大口徑的X60及以上鋼級(jí)抗氫管道，目前管材已經(jīng)研制成功，通過了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)最大壓力和100%氫氣條件下的測(cè)試。美國投運(yùn)的輸氫管道最高運(yùn)行壓力已達(dá)到10.3兆帕，達(dá)到了目前我國天然氣西氣東輸?shù)墓歉晒艿缐毫Φ燃?jí)。
我國在純氫工業(yè)管道、專用管道方面積累了較豐富的建設(shè)及運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，總里程超過300公里，但在純氫長輸管道建設(shè)方面較滯后，在役管道總里程不足100公里。
氨通常以液體形式儲(chǔ)存，非常適合用管道進(jìn)行運(yùn)輸。液氨管道運(yùn)輸不易受天氣和交通條件影響，效率較高。甲醇因同時(shí)可作為化工原料及能源載體而得到廣泛應(yīng)用，目前我國的甲醇輸送方式主要是船運(yùn)及汽運(yùn)，運(yùn)輸能力不足及運(yùn)輸費(fèi)用過高的問題已日益凸顯，管道運(yùn)輸方式或可成為未來長距離輸送甲醇的有效解決方案。
“西氫東輸”氫能骨干管網(wǎng)展望
由于我國水風(fēng)光等可再生能源主要分布在西部和北部的資源稟賦，綠氫制備與需求之間呈現(xiàn)典型的逆向分布特征，需要通過有效的運(yùn)輸途徑將西部和北部可再生能源制備的綠氫輸送到中東部的用能中心。為解決綠氫的長距離運(yùn)輸問題，水電規(guī)劃總院初步規(guī)劃布局了“西氫東輸”的新格局，即在西部及北部(新疆、青海、內(nèi)蒙古、西藏等地)利用大型新能源基地配套大型制氫基地，進(jìn)行大規(guī)模制氫，再利用純氫管道將氫輸往中部以及東部區(qū)域進(jìn)行消納。
根據(jù)水電規(guī)劃總院研究，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，未來全國綠氫年需求將達(dá)到1.2億噸，相應(yīng)需配套約26億千瓦風(fēng)光資源與12億千瓦制氫設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)氫能長距離經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸，構(gòu)建以“西氫東輸”為主的全國高標(biāo)準(zhǔn)骨干氫網(wǎng)，總投資超過10萬億元人民幣，管道總長度約9.3萬公里，承載約7900萬噸/年的輸氫能力(相當(dāng)于2.7億噸原油的熱值，約占我國原油年使用量的35%左右；或相當(dāng)于3.9億噸標(biāo)煤的熱值，年可減少二氧化碳排放約10億噸)。
預(yù)計(jì)全國氫能骨干管網(wǎng)基本建成后，終端用氫成本將大幅下降，全國范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)以管道運(yùn)輸為主、交通運(yùn)輸為輔的綜合氫能運(yùn)輸系統(tǒng)，終端綠氫價(jià)格將低于25元/千克，促進(jìn)氫能的市場(chǎng)競(jìng)爭力大幅提升，助力我國新型能源體系的順利構(gòu)建。
特約撰稿人 易躍春 姜海 余官培
(作者單位：水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院)
