李玉星，劉翠偉，等：氫能運(yùn)輸方式與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

氫能具有來源豐富、質(zhì)量燃燒熱值高、比沖量大、使用過程零碳清潔、用途廣泛等特點，氫能發(fā)展為推動“碳達(dá)峰、碳中和”（簡稱“雙碳”）目標(biāo)的實施和綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了有效途徑，對于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，落實能源安全新戰(zhàn)略具有重要意義。氫能有望在交通、化工、發(fā)電等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游制氫、中游儲運(yùn)，以及下游多元化的應(yīng)用場景（圖1）。中國是全球最大的氫氣生產(chǎn)國，根據(jù)中國煤炭工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2022年國內(nèi)氫氣產(chǎn)量4 004萬t，同比增長32%，占2021年全球氫氣產(chǎn)量的28%。其中，化石能源制氫占比為81%，主要包括煤制氫和天然氣制氫；工業(yè)副產(chǎn)氫占比為18%，主要包括氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、焦?fàn)t煤氣副產(chǎn)氫、輕烴裂解副產(chǎn)氫、合成氨及甲醇副產(chǎn)氫4類；電解水制氫技術(shù)要求較高，成本較高，占比約為1%，包括電網(wǎng)、風(fēng)電、光伏、水電、核電電解水制氫等。目前，中國可再生能源裝機(jī)量全球第一，未來通過可再生能源電解水制氫潛力巨大。

Fig. 1　Industrial chain of hydrogen energy

目前，中國下游用氫成本較高，市場尚處于培育期，但長期來看，氫能將在中國新型能源體系中發(fā)揮核心作用。據(jù)中國氫能聯(lián)盟等機(jī)構(gòu)預(yù)測，2030年中國氫能總需求預(yù)計達(dá)到約3 715萬t，在終端能源消費(fèi)中占比約5%，綠氫產(chǎn)量約為500萬t。隨著技術(shù)成熟度提高和“雙碳”戰(zhàn)略實施，氫能需求增長加快，2040年和2050年將分別達(dá)到5 700萬t和9 690萬t，2060年將突破1.3億t，在終端能源消費(fèi)中占比約為20%。目前，中國氫能的應(yīng)用場景主要包括化工、鋼鐵、交通、航空航天等領(lǐng)域，其中化工領(lǐng)域在氫能消費(fèi)中占比最高?；ゎI(lǐng)域的氫能應(yīng)用場景主要集中在合成氨、合成甲醇、煉廠煉化等高耗氫環(huán)節(jié)；鋼鐵領(lǐng)域主要集中在頭部鋼企對氫能煉鋼項目的廣泛布點；交通領(lǐng)域在重型貨運(yùn)、輕中型物流車、公交車、礦山機(jī)械、港口機(jī)械、清潔車等多個場景得到一定比例的應(yīng)用；航空領(lǐng)域，氫能飛機(jī)快速發(fā)展，氫渦輪和氫燃料電池是航空領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向，預(yù)計2035年后使用氫燃料替代現(xiàn)用噴氣燃料的氫能飛機(jī)將投入使用；航天領(lǐng)域，液態(tài)氫（簡稱液氫）可作為火箭的燃料和推進(jìn)劑，被廣泛應(yīng)用于火箭的一、二級動力系統(tǒng)中。

固態(tài)金屬儲氫技術(shù)是將氫與金屬或合金化合形成金屬氫化物，以固體的形式儲存。其技術(shù)路線是利用儲氫合金捕捉氫的能力，在一定的溫度和壓力條件下，與氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物，在使用時對這些金屬氫化物加熱，將儲存在其中的氫釋放出來。此方法適用于體積要求較嚴(yán)格的場合，如氫能燃料電池汽車等。

表1　不同氫能運(yùn)輸方式特點總結(jié)

Table 1　Characteristics of various hydrogen energy transportation methods

1.2.1  高壓氣態(tài)運(yùn)輸

1.2.1.1  長管拖車

長管拖車是由大容積鋼制無縫氣瓶通過框架與走行裝置固定或直接與走行裝置固定而組成的高壓氫氣運(yùn)輸設(shè)備，其儲氫空間一般由6~10個壓力15~35 MPa、容積10~30 m³的無縫高壓氣瓶組成，可充裝3 500~4 500 m³氫氣。它具有靈活機(jī)動、方便快捷、運(yùn)輸效率高等優(yōu)勢，是目前技術(shù)最成熟、使用最廣泛的高壓氫氣運(yùn)輸方式。盡管長管拖車靈活便捷，但單車單次運(yùn)氫量通常在500 kg以內(nèi)，只占總運(yùn)輸質(zhì)量的1%~2%，且卸載時間長。并且將氫氣加壓至20 MPa時，還會消耗能量約14 MJ/kg，即氫氣加壓的過程需要消耗約10%的氫氣能量。由此可見，依靠長管拖車運(yùn)輸?shù)姆绞?，在增壓和運(yùn)輸過程中存在較大的能量損失，運(yùn)輸成本較高。

1.2.1.2  管道運(yùn)輸

管道輸氫是指利用管道系統(tǒng)將氫氣從生產(chǎn)地點運(yùn)輸至使用地點的過程。氫氣管道的應(yīng)用場景涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、能源儲運(yùn)等多個領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，氫氣管道的運(yùn)輸距離通常為數(shù)百米至數(shù)公里，用于將氫氣從氫氣生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)輸至各種生產(chǎn)設(shè)備或反應(yīng)器。燃料電池車輛加氫站通常需要與氫氣生產(chǎn)設(shè)施或氫氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相連接，運(yùn)輸距離一般為數(shù)十米至數(shù)百米。在能源儲運(yùn)領(lǐng)域，運(yùn)輸距離通常較長，可能需要數(shù)十公里甚至上百公里的氫氣管道網(wǎng)，用于連接氫氣生產(chǎn)設(shè)施、氫氣儲存設(shè)施和能源利用設(shè)施。

隨著氫能產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，氫能運(yùn)輸需求規(guī)模不斷擴(kuò)大，管道輸氫是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展成熟階段實現(xiàn)氫氣長距離、大規(guī)模運(yùn)輸?shù)谋厝悔厔荩彩亲罱?jīng)濟(jì)的方式，其具體運(yùn)輸方式主要分為純氫管道運(yùn)輸、天然氣管道摻氫運(yùn)輸和在役油氣管道改輸氫氣等。

1）國外氫氣運(yùn)輸管道

國外純氫管道建設(shè)較早，技術(shù)較為成熟，X52及以下鋼級輸氫管道已經(jīng)大規(guī)模工程應(yīng)用，建成的氫氣管道一般以低于6.9 MPa的壓力運(yùn)行。由于新建輸氫管道投資大且建設(shè)時間長，全球各國在2000年就開始深入研究天然氣管網(wǎng)中摻氫，如荷蘭Ameland項目、英國HyDeploy項目、德國Avacon計劃、歐盟NaturalHy項目、歐洲氫氣骨干網(wǎng)計劃等，大部分示范項目摻混比例控制為0.1%~20.0%。將在役石油或天然氣管道改造成輸氫管道也是提高管道輸氫經(jīng)濟(jì)性、節(jié)省建設(shè)時間的重要選擇，典型項目包括荷蘭Dow Benelux—Yara的天然氣改輸氫氣管道、法國Corpus至Christi的原油改輸氫氣管道等。

2）國內(nèi)氫氣運(yùn)輸管道

相比國外，中國純氫運(yùn)輸管道建設(shè)比較緩慢，現(xiàn)有純氫運(yùn)輸管道總里程僅約400 km，均以煉油化工用氫為目的且普遍采用低鋼級（20號鋼或L245N）、中低壓力（≤4 MPa）運(yùn)行，輸量小、管材成本高，在設(shè)計、運(yùn)維、試驗方法等方面尚未形成標(biāo)準(zhǔn)體系。巴陵—長嶺氫氣管道是中國目前最長的純氫運(yùn)輸管道，全長約42 km，設(shè)計壓力為4 MPa。中國石油化工集團(tuán)有限公司“西氫東送”輸氫管道示范工程已納入國家規(guī)劃，該項目起于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，終至北京市，管道全長超過400 km，是中國首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長距離的純氫運(yùn)輸管道。預(yù)計到2030年，中國純氫運(yùn)輸管道總里程將超過3 000 km。

中國的摻氫天然氣管道建設(shè)也處于起步階段，僅有少數(shù)示范應(yīng)用項目。2023年深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司與中國石油大學(xué)（華東）等合作，搭建并投用了中國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺，包括摻混模塊、減壓調(diào)壓模塊、管材相容性評價模塊、燃?xì)馄骶邷y試模塊及終端利用模塊。據(jù)中國城市燃?xì)鈪f(xié)會《天然氣管道摻氫輸送及終端利用可行性研究報告》預(yù)測，“十四五”時期中國將新增天然氣管道摻氫示范項目15~25個，摻氫比為3%~20%，總長度超過1 000 km。

隨著國家“雙碳”目標(biāo)的穩(wěn)步推進(jìn)，預(yù)計從2040年開始，石油天然氣需求量將呈現(xiàn)下降趨勢，利用在役天然氣管道或油品管道改輸氫氣具有迫切的生產(chǎn)需求和顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，而中國針對在役油氣管道改輸氫氣尚無實踐成果，以鄯烏線為代表的在役油氣管道改輸氫氣項目正處于規(guī)劃階段。目前，中國的氫能運(yùn)輸技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來大規(guī)模輸氫的需求，正在加快純氫及摻氫長輸管道規(guī)劃布局。

1.2.2  低溫液態(tài)運(yùn)輸

液氫的儲氫密度較高，在0.1 MPa壓力下的密度為70.9 kg/m³，是標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣密度的856倍，在長距離、大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸方面具有一定的優(yōu)勢。作為一種高效燃料，液氫可與液氧等氧化劑混合使用，產(chǎn)生強(qiáng)大推力，用于推動航天器進(jìn)入軌道或進(jìn)行太空探測任務(wù)；同時，液氫可作為航天飛機(jī)的發(fā)動機(jī)燃料，也可作為航天器燃料電池的燃料，因此液氫在航空航天領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。目前，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）等在該領(lǐng)域均取得顯著成績。液氫運(yùn)輸已進(jìn)入成熟應(yīng)用階段。在民用方面，低溫液態(tài)儲氫技術(shù)主要應(yīng)用于液氫儲氫型加氫站及氫液化工廠。截至2023年，美國建設(shè)有25座以上的液氫工廠，主流生產(chǎn)能力為10~30 t/d，產(chǎn)能占全球80%以上。中國在液氫民用領(lǐng)域尚處于起步階段。

低溫液態(tài)儲氫容器對絕熱性能有較高的要求，目前制約其大規(guī)模發(fā)展的因素是低溫材料和絕熱技術(shù)。在低溫材料技術(shù)方面，液氫儲存容器通常采用不銹鋼、鎳基合金、鋁合金及玻璃纖維強(qiáng)化塑料等材料，這些材料能在液氫低溫環(huán)境下保持出色的性能。目前，在役液氫儲罐主要采用常規(guī)奧氏體不銹鋼作為容器材料。從成本角度考慮，是否可以將常規(guī)奧氏體不銹鋼作為推薦使用的液氫容器材料納入標(biāo)準(zhǔn)中，值得進(jìn)一步研究和評估。

為提高液氫儲存容器的保冷效果，在低溫絕熱技術(shù)方面，需要從導(dǎo)熱、對流和輻射3個方面著手。根據(jù)外界是否主動提供冷量輸入，低溫絕熱技術(shù)可分為被動絕熱和主動絕熱。目前，被動絕熱技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，常見的被動絕熱技術(shù)包括堆積絕熱、高真空絕熱、真空粉末絕熱、真空多層絕熱、變密度多層絕熱、自蒸發(fā)蒸氣冷卻屏，以及上述技術(shù)的組合應(yīng)用。相比之下，主動絕熱技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗大、成本高，應(yīng)用場景相對有限。

液氫是仲氫和正氫的混合物，仲氫與正氫的化學(xué)性質(zhì)相同，而物理性質(zhì)有所差異，表現(xiàn)為仲氫的基態(tài)能量比正氫低，正氫會自發(fā)地向仲氫轉(zhuǎn)化并放出熱量，使液氫產(chǎn)生蒸發(fā)損失。因此，需在氫氣液化過程中使用催化劑來提高正-仲氫轉(zhuǎn)化率。

由于目前技術(shù)的限制，在液氫遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)拇吧蠈π再|(zhì)活潑的液氫蒸發(fā)氣（Boil-Off Gas, BOG）的可靠處理技術(shù)還存在挑戰(zhàn)。鑒于液氫蒸發(fā)氣揮發(fā)率低、蒸發(fā)量小，無法滿足燃料系統(tǒng)的需求，需要配備氣化器來補(bǔ)充BOG。由于液氫的純度要求極高，同時氫氣液化的難度很大，因此液氫一旦氣化，不是在運(yùn)輸船上處理和再液化，而是在運(yùn)輸船上設(shè)計液氫蒸發(fā)氣緩沖罐，用來儲存常壓BOG氣體。這些BOG氣體既可以作為燃料供給主機(jī)，也可以調(diào)壓后運(yùn)輸給下游用戶。

液氫加注系統(tǒng)一般為自增壓式擠壓加注。在液氫的加注系統(tǒng)中，尤其是在航空航天領(lǐng)域，液氫的安全運(yùn)輸對成功加注至關(guān)重要。由于液氫具有超低溫、易燃、易蒸發(fā)等性質(zhì)，它在管道運(yùn)輸中如果漏熱很容易產(chǎn)生兩相流，造成管內(nèi)的壓力和溫度發(fā)生突變，影響管道的壽命，甚至發(fā)生爆裂、爆炸等安全事故。同時，在液氫加注過程中，由于靜電電荷積累、加注速度過快、帶電介質(zhì)摻入、人體導(dǎo)電等原因容易出現(xiàn)靜電起電的現(xiàn)象，甚至引發(fā)爆炸事故。

1.2.3  有機(jī)液體運(yùn)輸

有機(jī)液體儲氫技術(shù)具有儲氫密度高、可利用現(xiàn)有石化設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢，避免了物理運(yùn)輸氫能時所需要的高壓與低溫等苛刻條件。有機(jī)液體管道輸氫技術(shù)通常涉及3個環(huán)節(jié)（圖2）：①不飽和有機(jī)液體經(jīng)催化加氫反應(yīng)形成儲氫有機(jī)液體，實現(xiàn)氫能常溫常壓液態(tài)儲存；②儲氫有機(jī)液體的管道運(yùn)輸；③儲氫有機(jī)液體到達(dá)用戶終端后借助催化劑實現(xiàn)氫能的釋放和利用。

Fig. 2　Hydrogen transportation technology based on organic liquid pipelines

儲氫有機(jī)液體可以像石油一樣實現(xiàn)長距離管道運(yùn)輸，因而降低氫能規(guī)模利用運(yùn)輸成本。一般來說，性能優(yōu)良的有機(jī)液體儲氫介質(zhì)需要具有高沸點（>300 ℃）、高儲氫密度、低放氫溫度等技術(shù)參數(shù)優(yōu)勢。其中，對于儲氫密度，國際能源署規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)為質(zhì)量儲氫率>5%，體積儲氫率>40 kg/m³。此外，有機(jī)液體儲氫介質(zhì)還需具備低成本、低毒性以及與當(dāng)前燃料基礎(chǔ)設(shè)施高兼容性等商業(yè)優(yōu)勢。

在適合作為有機(jī)液體儲氫的材料中，甲醇是目前在理論上和實際應(yīng)用中均具有管道運(yùn)輸可行性的有機(jī)液體儲氫載體。國內(nèi)外甲醇管道累計長度約5 000 km。此外，氨作為一種高效、安全的氫能載體也逐漸受到國際社會的高度關(guān)注。以液氨為儲氫載體的長距離管道運(yùn)輸技術(shù)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)工程應(yīng)用。目前，世界上長輸液氨管道主要分布在美國和俄羅斯。美國液氨管道總里程接近5 000 km，俄羅斯總里程約2 400 km。中國液氨管道起步較晚且總里程較短，目前總里程不超過200 km。

儲氫有機(jī)液體管道運(yùn)輸安全性方面，甲醇具有腐蝕性很小，不需要內(nèi)防腐，并且運(yùn)輸過程中不需要保溫設(shè)施等優(yōu)勢。已有的甲醇運(yùn)輸管道項目表明，甲醇屬于易運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)，并且在運(yùn)輸過程中具有較高的安全性。液氨管道運(yùn)輸時，必須保證管道中任何一點的壓力都高于液氨在運(yùn)輸溫度下的飽和蒸氣壓力，否則液氨會在管道中氣化形成氣塞，大大降低管道的流通能力。此外，若液氨中含水、氧氣、氮氣等雜質(zhì)，則會增加管材發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能性。

1.2.4  固態(tài)金屬運(yùn)輸

在低溫液氫運(yùn)輸材料方面，中國現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)對于奧氏體不銹鋼的最低設(shè)計溫度為?196 ℃，不能滿足低溫液氫儲存容器的設(shè)計溫度要求，需建立奧氏體不銹鋼材料的低溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫?；诖?，液氫溫度（-253 ℃）下材料力學(xué)性能的測試及評價是低溫液氫運(yùn)輸面臨的關(guān)鍵問題。

目前，關(guān)于液氫無損儲存的仲正氫轉(zhuǎn)化的影響及其流動和傳熱特性的研究較多，而缺乏關(guān)于建立液氫儲罐內(nèi)部的氣相氫的壓力場、溫度場、濃度場和自然對流流場等的研究。因此，氣相氫的物理場研究及仲正氫催化區(qū)位置的確定也是未來需要解決的關(guān)鍵問題。

在“雙碳”目標(biāo)下，隨著中國能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步靈活多樣，氫能已成為管網(wǎng)輸配的重要對象。管道運(yùn)輸行業(yè)面臨著氫能運(yùn)輸問題的一系列挑戰(zhàn)。目前，中國已在純氫管道運(yùn)輸技術(shù)、摻氫管道運(yùn)輸技術(shù)、儲氫有機(jī)液體管道運(yùn)輸技術(shù)及儲氫技術(shù)等領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展及成就，有力支撐了中國氫能運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，但在一些方面與國外相比仍存在較大差距。未來，管網(wǎng)布局規(guī)劃、材料相容性、管道運(yùn)輸工藝及設(shè)備適應(yīng)性、運(yùn)行安全保障技術(shù)等將是氫能管道運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的重點方向。氫能管道運(yùn)輸技術(shù)的進(jìn)步，將對中國氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；涂沙掷m(xù)性發(fā)展發(fā)揮關(guān)鍵作用。