输氢技术接连突破，氢能规模化应用即将打开

　　氢能在能源转型和迈向碳中和目标中，被很多国家视为“明星”清洁能源。世界主要发达国家和发展中国家，近年基本都出台政策，大力支持氢能产业发展。美国、日本、德国、澳大利亚、韩国、印度等国家相继制定了氢能发展战略或规划。

　　中国是世界第一产氢大国，也是氢能的第一消费大国。如果能把氢能产业经济发展起来，不仅对能源转型有巨大意义，还将造就一个十万亿规模的氢产业链市场。

　　虽然现在通过风光发电制绿氢的成本在不断下降，但对氢能的大规模使用，全世界都面临一个难题，那就是氢的储运。氢作为元素周期表中的1号元素，分子非常小，在同等条件下(温度、压强)，氢气热运动的速度更快，更容易从容器的缝隙中逃逸，所以氢气的储存和运输比较困难，按照目前的技术装备，成本很高。

　　氢储运作为制氢与用氢之间的纽带和桥梁，也是制约氢能走向规模化应用的最大痛点，如果能克服技术障碍，经济安全地实现氢能的储运，对整条氢能产业链的持续发展至关重要。

　　最近，我国长距离、大规模输氢技术接连传来好消息。

　　4月16日，中国石油发布消息，用现有天然气管道长距离输送氢气的技术获得了突破。在宁夏银川宁东天然气掺氢管道示范平台，管道中的氢气比例已逐步达到24%。这为我国今后实现大规模、低成本的远距离氢能运输提供了技术支撑。

　　几天前的4月10日，中国石化也发布消息，我国首个“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入石油天然气“全国一张网”建设实施方案，标志着我国氢气长距离输送管道进入新发展阶段。

　　“西氢东送”管道规划起点位于内蒙古自治区乌兰察布市，终点位于北京市的燕山石化，管道全长400多公里，经过内蒙古、河北、北京等3省(区、市)的9个县区，是我国首条跨省区、大规模、长距离的纯氢输送管道。管道一期运力10万吨/年，预留50万吨/年的远期提升潜力。

　　第三个好消息是，我国在固态储运氢方面也有新进展。　4月13日，全球先进吨级镁基固态储运氢车在上海汽车会展中心亮相。该第一代吨级镁基固态储运氢车由上海氢枫能源技术有限公司联合上海交通大学氢科学中心共同研发制造，助力我国固态储氢技术迈上新一级台阶。

　　该储运氢车以镁合金为介质，通过镁与氢气的可逆反应进行氢气储运，单车储氢量是当前主流储氢方式——高压气态储氢的3倍至4倍，且存储状态为常温常压，解决了高压气态储氢的高压爆炸风险，实现更安全、高效、经济的氢气储运，是当前氢气储运环节的一项创新性技术。

　　这些技术突破或项目落地，将加快氢能全产业链的建设和规模化应用。

　　01 管道输送是大规模长距离输氢的必然

　　目前，汽车运输仍是我国长距离氢气运输的主流方式。这种方式成本较高、效率较低，而且运输距离有限，是造成终端用氢成本高的主要原因之一。

　　以镁合金为介质的固态储运氢技术创新，当然很有价值，但如果要实现大规模、长距离的输送，必须要像天然气一样用管道输送，才能具有经济性。

　　输氢管道运量大、能耗低、边际成本低，是实现规模化氢输运的重要方式，将成为氢能产业可持续发展的必然趋势。中石化的“西氢东送”纯氢管道和中石油的掺氢管道，都是助力氢能产业大规模发展的基础建设保障。

　　目前中石油这条天然气管道中的氢气比例已逐步达到24%，也就是说每输送100立方米掺氢天然气，其中就包括了24立方米的氢气。经过了100天的测试运行，这条397公里长的天然气管线，整体运行安全稳定。

　　专家表示，截止到2022年底我国油气管道的总里程达到18.5万公里。以目前我国天然气消费量计算，当掺氢比达到20%时，可运输1000多万吨氢气，约合5600多亿度绿电，氢气成本也会大幅度下降。

　　我国为什么要从西部往东部运输呢?为什么不就地生产，避免长途运输呢?

　　目前我国东部地区也是有氢气资源的，但是这些氢气大都是石化企业的工业副产氢气，也就是工业生产中附带生产出来的氢气，虽然在使用的时候是无污染的，但是在生产氢气的时候是会产生一定的碳排放，因此这些氢气也被业内叫做灰氢。

　　中国石油大学(北京)教授孙仁金表示，我们国内的氢基本上99%都是灰氢，也就是说从天然气、从化石能源发展的氢，那这个氢其实它是碳排放还是比较严重的，而且这个成本也比较高。如果用灰氢，就达不到减少碳排放的目的。

　　如用光伏或者风电设备取得的电，对水进行电解生产出来的氢，碳排放比较少，被称为“绿氢”。而想发展绿氢，西部地区无疑是首选。我国内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、青海、山西、河北等地风光绿电资源富足，这意味着我国西部地区和北部地区具有大规模绿氢资源。另外，我国东部地区和南部地区经济发达，氢能无论是工业应用还是民用，都具有巨大市场潜力。因此，我国氢能产销区域特点与天然气极为相似，需要发展“西氢东送”和管道输氢。

　　02 管道输氢的难点是什么

　　由于氢气密度小、扩散系数大、易对材料力学性能产生劣化，所以目前国际上对于如何而高效运输氢气，都处于技术研究和攻关阶段。

　　当然，利用管道输送氢气历史已经很久了，早在1938年，德国就建成了世界上第一条氢气长输管道，全长215公里，主要用于化工厂氢资源匹配利用，但成本也非常高，只是小规模和特殊场景使用。

　　如果要扩大应用场景，就需要在管道输送技术上不断突破。

　　氢进入金属材料内部易导致材料力学性能下降，管输工况下，由于内外应力综合影响，易出现氢鼓泡、氢致裂纹、延性降低等损伤，大大增加管材失效可能性。这就是所谓“氢脆”现象。

　　具体来说，就是金属材料在高压氢环境中服役时，氢分子能够分解成氢原子渗透入金属材料内部，造成材料的性能劣化(即“氢脆”)。氢脆表现为“H2吸附到金属表面 → 分解成H原子 → 渗透进金属内部 → 在金属内部扩散 → 聚集 → 引发氢致裂纹等”。当管道中存在足够的氢含量、对氢敏感的金相组织、应力集中这3个条件时，易导致管道氢脆开裂。

　　国际上虽已建成一定规模输氢管道并正常运营，且这些管道基本采用低等级钢材，氢损伤管材问题并不是很突出，但由于运行压力较低、设计偏保守，管道综合输送效率普遍不高。

　　研究开发高强度或耐氢脆管材，加快实现氢气管输系统降本增效，是满足当前规模化氢储运需求的重要途径，国内外在这方面已开展大量研究，包括氢致金属材料损伤机理、氢与管材相容性、氢对焊缝性能影响、焊接工艺，以及新型非金属管材开发等。

　　03 我国输氢管道处于什么位置

　　随着氢气利用量增大和应用场景多样化，目前全球范围内氢气输送管道规模越来越大，总里程已超过4600公里。

　　美国氢气管道规模最大，总里程达到2720公里，其中建有全球最大的氢气供应管网，全长965公里、连接22个制氢厂，向墨西哥沿岸的炼油厂和化工厂供应纯氢，输氢量达到150万标准立方米/小时。

　　欧洲输氢管道总里程目前也已超过1500公里，其中法国建有世界上最长的氢气管道，从法国北部一直延伸至比利时，全长约402公里。近年来，在“双碳”战略下氢能产业迅猛发展，尤其是在绿氢技术推动下，规模化氢储运需求日益显现，输氢管道建设已被列入世界各国氢能产业规划。

　　欧盟正在规划西班牙、法国与葡萄牙之间的跨国输氢管道;德国提出将在全国范围内建设5900公里输氢管道，并与挪威联合建设两国跨国输氢管道;预计到2040年，欧洲将建成4万公里氢气输送管道。

　　我国氢能产业整体起步较晚，现有氢气输送管道总里程约400公里，其中由我国自主建设的较长距离的典型纯氢输送管道有3条，总里程不足100公里。“双碳”目标下，我国也在加快推进氢能基础设施建设，河北已启动建设定州—高碑店氢气管道工程，全长164.7公里，年最大输送量10万吨，供应燃料电池用氢。

　　来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客 郭郭 参考文献详见公众号环球零碳