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破解规模化运氢难题 天然气管网可发挥大作用

北极星氢能网 来源:中国城市能源周刊  作者:李 欢 崔志广  2021/9/24 11:07:52 我要投稿

北极星氢能网讯:在碳达峰、碳中和目标引领下,氢能发展虽已步入快车道,但依然受到氢气运输规模小、成本高的制约。利用天然气管网运输氢气具有资本投入低、输氢距离长、输氢量可调等优点,是一种极具潜力的经济、高效的运输方式,目前已得到欧美主要国家的普遍重视。

我国应密切关注该领域的最新进展和突破,并及早布局相关技术与设备研发,积极探索天然气管网运氢的系统解决方案,突破氢能利用的运输瓶颈。

(来源:微信公众号“中国城市能源周刊” 作者:李 欢 崔志广)

天然气管网运氢的技术探索

氢能是一种清洁的二次能源,可实现跨部门、跨时间地点灵活转移能源,减少弃风、弃光、弃水,在能源转型过程中发挥系统性作用,帮助能源、交通、工业等部门深度脱碳。随着各国碳中和目标的提出,减碳的紧迫性骤然增加,氢能产业发展将步入快车道。在氢能产业链“制、储、运、加、用”五大环节中,氢气运输规模小、成本高的现状亟待改变。

氢气运输规模小、成本高,是当前制约氢能发展的“卡脖子”环节。目前运氢方式主要有三种:长管拖车运输、管道运输和液氢罐车运输。

长管拖车运输高压气氢是我国的主流运氢方式,但单车次运氢量仅为200-300公斤,只占长管拖车总重量的1%-2%,运输效率低下。距离200km时运氢成本高达11元/kg左右,与煤制氢成本相当。随着技术的发展,运输气瓶的成本和长管拖车灌充氢气的时间会出现一定程度的下降,从而带动运氢成本下降,但下降幅度有限;纯氢管道运输虽然成本较低,但初期资本投入大,适合点对点、近距离、大规模的氢气运输,主要用于向炼化和化工厂输送氢气;液氢罐车运输方式需要液化氢气并保持低温,能耗较高,适用于长距离运输,多用于航天及军事领域。

天然气管网运氢优势多,是一种理想的经济、高效、大规模运输方式。其原理是将氢气掺入天然气中,然后经天然气管网运输至目的地,再分离出氢气或直接使用富氢天然气,具有诸多优势。

首先,复用天然气基础设施,前期资本投入低。纯氢管道单位投资额约600万元/km,是天然气管道的2倍。据中国氢能联盟估算,到2050年,我国氢气需求量接近6000万吨。若这些氢气都用纯氢管道输送(各项参数参考济源—洛阳输氢管道),则前期需投入约1000亿元。利用天然气管网运氢可以解决大型管道建设项目难以获得经济支持的问题,通过相对较少的资本投入实现大规模、低成本的网络化运输能力;

其次,天然气管网覆盖范围广,可以实现氢气长距离运输。目前世界上距离最长的输气管道——中俄东线天然气管道项目全长逾8000公里。利用天然气管网运氢,可以快速实现长距离运氢的目标,将氢气产地与消费地连接起来。而且,天然气管网接触终端用户多,可连通发电站、工业企业、加氢站、居民等各个用氢部门;

再次,天然气管道允许掺氢比例波动,契合可再生能源发电波动性的特点。目前利用可再生能源电解水制氢是绿色氢气的主要来源。天然气管道运氢允许氢气浓度在一定范围内波动,能将可再生能源的波动性转变为天然气管网内氢气输送量的波动性,减轻可再生能源电力并网压力。

天然气管网运氢需重点解决三个核心问题:一是氢脆、渗漏导致氢气泄露。天然气管道材料主要是钢,存在氢脆问题。长时间暴露在氢气中时,钢管的力学性能下降、韧性降低和疲劳裂纹扩展速率增加,氢气扩散到外界的概率增加,可能引发安全问题。钢管强度越高、氢气浓度越高,氢脆现象就越严重。焊接残余应力和组织不均匀性都会加速氢扩散,因此管道焊接接头区域发生氢气泄露的风险最高。同时,氢气的扩散系数是甲烷的3.8倍,能更快地从管道壁、密封件和接头渗漏出去,造成损失;

二是分离天然气中的氢气效率低。变压吸附和膜分离是目前工业上广泛应用的两种氢气分离提纯技术。变压吸附法分离氢气的原理是利用吸附材料对氢气吸附能力差、对甲烷等气体吸附能力强的特点,选择性让氢气通过吸附床。气体混合物中氢气浓度越低,需要升压的气体混合物就越多,需要对吸附床进行吸附脱附的次数越多,氢气分离的效率越低。膜分离法基于选择性渗透原理工作,以膜两侧的压力差为驱动力,让氢气透过薄膜在另一侧富集。气体混合物中氢气浓度越低,相同压力差下氢气回收率越低;

三是压缩机成本高。氢气分离环节需要配置压缩机,通过增加掺氢天然气压强来提高氢气回收量,并在完成氢气分离后将天然气升压重新注入天然气管道。据美国能源部测算,压缩机购置费用是氢气分离环节最主要的成本,约占36%。

主要国家天然气管网运氢实践

欧盟将自身庞大的天然气基础设施视为发展氢能产业的独特优势。

20年前欧盟就开始实施天然气掺氢示范项目,将20%的氢气掺入天然气配气管道中,掺氢经验丰富,处于全球领先地位。在全球建成的26个天然气管网掺氢示范项目中,有19个位于欧盟。

根据2020年7月8日欧盟委员会发布的《欧洲氢能战略》,欧盟将为天然气管网运氢提供资金支持,并更新气体质量标准,以确保天然气管网掺氢后还能在成员国之间顺利连通。

欧盟的天然气管网公司也表现出极高的积极性。2020年7月15日,欧盟9个国家的11家天然气管网公司联合发布《欧洲氢能主干管网》倡议,计划到2030年输氢管网总长度达到6800公里,到2040年达2.3万公里,其中3/4为改造后的天然气管道。届时单位运氢成本将降低至11-21欧分/千克氢气/千公里,平均运氢成本约相当于氢气制备成本的2%,能满足欧洲每年1130TWh的能源需求。

美国也将天然气管道运氢视为重要的战略技术进行储备。

1960年以来,美国国家航空航天局、能源部、交通部和国家标准与技术研究院一直在资助与氢气管道相关的研发工作,内容覆盖基础材料科学、管道安全、管道经济学、管道网络建模和氢气市场等。近两年,美国能源部加速氢能研究与项目开发,提出了H2@Scale计划,出资1000万美元资助天然气掺氢研发示范项目。美国的天然气管网公司也逐渐表现出浓厚兴趣,提出了全美首个天然气掺氢计划。2020年11月,南加州天然气公司联合圣地亚哥天然气和电力公司宣布在天然气配气管网中开展掺氢项目,掺入比例最高将达20%,并试验氢气分离技术。

俄罗斯则将天然气管网运氢视为强化能源出口的重要手段。2020年7月俄罗斯能源部公布《氢能战略发展路线图》,提出利用天然气和核电制氢,通过天然气管网掺氢实现氢气出口,使氢气成为继天然气之后的又一重要能源。俄罗斯天然气工业公司(以下简称俄气)正在开展天然气管网掺氢试点项目,拟向欧洲输送掺氢比例最高达20%的富氢天然气。俄气对“北溪2号”管道也进行了掺氢规划,据介绍,改造后掺氢比例可以提升至70%。

我国应及早布局天然气管网运氢

我国天然气管网正处于蓬勃发展阶段,具备掺氢的基本条件,但起步较晚。我国天然气管道运输技术成熟,系统框架基本形成,近年来运输能力显著提高,运氢潜力巨大。

《中国天然气发展报告(2019)》显示,截至2018年底,我国天然气干线管道总里程达到7.6万千米,管输能力达到3200亿立方米/年。如果以10%的比例掺氢,则可形成运氢能力320亿立方米/年,可同时满足7800座1000kg加氢站的需求,或114座50MW氢燃料电池发电厂的需求。

自2019年起,国家电投陆续启动辽宁省朝阳市“可再生能源掺氢示范”、河北省张家口市“天然气掺氢关键技术研发及应用示范”两个示范项目,计划将富氢天然气直接作为燃料用于工业供热、灶具和汽车。

建议加速开展天然气管网运氢的相关工作:一是统筹各方力量和资源,加强科研攻关。加大财税金融对天然气掺氢研发的支持,开发先进的管道焊接材料和焊接工艺,做好焊前预热和焊后热处理,提高天然气管网对氢气的相容性,减轻管网氢脆问题、减少氢气泄露发生。开发天然气管网运行状态监测和管理系统,综合评估运行过程中天然气管网的氢适应性、可靠性和稳定性,及时发现氢气泄露并监测泄漏量,尽早做出应急响应。创新氢气分离工艺设备,开发机械强度良好的高性能分离膜材料,提高膜两侧压力差上限;综合运用变压吸附技术和高性能膜技术,开发能从天然气中高效分离氢气的系统解决方案。加速阀门、压力传感器等压缩机零部件国产化进程,带动压缩机购置成本下降;加强压缩机关键技术研发,提升压缩机加压、能效等性能,带动压缩机运行成本下降。运用全生命周期理念研究分析天然气管网运氢的碳排放,明确减排效果;

二是适时推进试点工作,积累典型模式项目经验。鼓励制氢企业、天然气管网公司与加氢站等用氢单位合作,在“制氢—掺氢—运输—分离—应用”整个产业链层面开展试验,积极探索典型的制氢方式、氢气应用方式与天然气管网运氢的组合模式,根据项目实际情况调整科研重点,加速科技创新和成果转化;

三是建立规范标准,指导项目建设运营。开展掺氢天然气管道输送及配套工艺的技术标准和规范研究,建立包括管道建设改造设计和施工、管道安全规范以及检测等在内的天然气管道运氢标准体系,为企业改造天然气管道和掺氢天然气管道安全可靠运行提供技术标准指导。


原标题:破解规模化运氢难题,天然气管网可发挥大作用

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