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            氫能十解”之四:氫基能源流動之旅

            氫促會發布時間:2024-02-27 12:21:20  作者:易躍春 姜海 余官培

              氫基能源規?;瘍Υ婧瓦\輸是氫基能源大規模商業化應用的基礎,高效率、低成本的儲輸方式是降低氫基能源終端應用成本的關鍵因素之一。

              當前氫氣較成熟的儲存方式主要有氣態和液態兩種形式,運輸方式主要有長管拖車、液氫槽車和管道運輸。氨和甲醇是氫基能源目前主要的衍生品類,兩者均為成熟的工業原料,運輸方式比較成熟,一般以液態形式通過車、船、鐵路以及管道等方式進行運輸。氫基能源的大規模、長距離管道運輸在國內外均有較為成熟運行案例,目前國內正處于氫基能源規?;l展的起步階段,預期為適應氫基能源大規模發展與應用的要求,未來氫基能源將形成以管道承擔遠距離運輸,以其他運輸方式承擔中短距離運輸的綜合輸運系統。

              氫基能源儲存技術

              (1)氫儲存技術

              儲氫技術按照氫的物理形態可分為氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫三種技術路線。

              高壓氣態儲氫是氫儲存最直接的方式。高壓氣態儲氫是指通過高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器或地下儲氣庫中,其儲氫量與儲存壓力成正比,目前應用最多的儲氫容器是儲氣罐和車載儲氫瓶,壓力最高可達到70MPa級。高端碳纖維技術不夠成熟且復合材料成本較高,是目前制約國內高壓儲氫發展的主要因素,未來高壓氣態儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質量穩定的方向發展,低成本的適用于高壓臨氫環境的新材料是研發的重點。地下儲氫是指利用地下地質構造進行大規模的氫存儲,即將氫氣注入鹽穴、枯竭油氣藏或含水層等地下地質構造中儲存起來。地下儲氫具有儲存規模大、儲存周期長、儲存成本低、安全性高四大優勢,與地面儲氫相比,地下儲存的氫氣不與大氣中的氧氣接觸,爆炸危險性更低。

              液態儲氫包含低溫液態儲氫和有機液態儲氫兩種技術路線。低溫液態儲氫基本原理是將氫氣壓縮冷卻至-253℃使其液化,并儲存在低溫絕熱容器中,液氫密度可達70.78kg/m3。氫氣液化系統和儲氫容器是氫氣低溫液化儲存的關鍵裝置。低溫液態儲氫具備儲量大、純度高、占地小、充裝快等優勢,但由于氫氣液化溫度低,使得液化系統能耗高,且對儲氫容器絕熱要求高。有機液態儲氫是利用氫氣與有機介質發生可逆化學反應,實現氫的儲存和釋放,烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液態有機物是目前較為常見的有機液態儲氫介質。有機液態儲氫技術具備穩定性高、安全性好、儲氫密度大、儲氫介質可循環使用等優勢,但該技術存在脫氫溫度高、效率低、能耗大等問題,目前仍處于研發示范階段。

              固態儲氫是利用氫元素與載體材料反應生成化學鍵,將氫分子固定在固體化合物中的一種儲氫方式。加氫后的儲氫材料能夠以固態形式保存氫,從根本上解決了高壓氫氣泄漏和儲氫容器氫脆等安全問題,保證了氫儲運的安全性。

              根據吸附原理的不同,一般將固態儲氫材料分為物理吸附儲氫材料和化學吸附儲氫材料,物理吸附儲氫材料包括碳基材料、無機多孔材料和金屬有機骨架化合物等,由于大多數物理吸附類材料在較低的溫度下才能達到一定的儲氫密度,常溫常壓下吸氫量很低,因此限制了其應用;化學吸附儲氫材料主要包括金屬氫化物、配位氫化物、化學氫化物等,目前金屬氫化物研究最為成熟。目前研究較多的化學吸附儲氫材料包括金屬氫化物和輕質金屬化合物,其中,金屬氫化物研究較為成熟。固態儲氫的體積儲氫密度高、安全性好,是一種有前景的儲氫方式,然而,目前固態儲氫的缺點在于儲氫材料在室溫下儲氫量過低,且吸附材料的制備昂貴,導致固態儲氫商業化程度較低。

              (2)液氨存儲技術

              氨通常以液體形式儲存,其儲存技術成熟,根據不同的操作壓力與溫度環境,液氨儲存可分為壓力儲存、低溫儲存、半冷凍儲存等3種類型。壓力儲存是指液氨在常溫加壓條件下儲存,是目前最常用的儲存形式,壓力儲存設計壓力一般高于1.8MPa,多采用球罐或水平圓柱形臥罐進行存儲,單罐存儲容量一般不超過2300噸,適用于中小規模液氨儲存。低溫儲存是指液氨在低溫常壓條件下儲存,低溫儲存設計溫度一般低于-33.5℃,多采用雙層結構絕緣圓柱形鋼罐,需設置保冷以及制冷的系統,單罐存儲容量可達5萬噸。半冷凍儲存結合了壓力儲存和低溫儲存的特點,儲存條件為較低溫度(4℃以下)和較低壓力(0.3-0.5MPa)。壓力儲存和半冷凍儲存適用于小規模液氨儲存,低溫儲存主要用于大規模液氨儲存。

              (3)甲醇存儲技術

              甲醇是一種輕質、易揮發、無色、易燃的有機化合物,常溫常壓下呈液態,存儲難度低。工業上多用儲罐存儲甲醇,甲醇儲罐一般為金屬儲罐,材質多選用16MnR普通低合金鋼,從結構形式上區分,甲醇儲罐有立式、臥式、圓柱形、球形、橢圓形、浮頂罐等。大型的甲醇儲罐多選用內浮頂儲罐,單罐容積可達10000~20000m3,最大儲量可達1.4萬噸。甲醇本身對碳鋼幾乎沒有腐蝕性,但是由于甲醇在生產、儲存過程中容易存在水分及雜質,因此在存儲甲醇時應考慮管內壁采取防腐涂層進行防腐處理。

              常規運輸:氫基能源車船運輸

              (1)氣態長管拖車運氫

              長管拖車是最普遍的氣態氫運輸方式。由于氫氣密度小,儲氫容器自重大,長管拖車實際運氫重量僅為總運輸重量的1%~2%,因此長管拖車運氫適用于運輸距離短且輸氫量較低的場景。

              目前我國以20MPa氣態長管拖車運氫方式為主,20MPa長管拖車單車運氫量約350千克,單輛長管拖車造價約120萬元,百公里運氫成本約10元/千克;隨著運距的增加,長管拖車運氫成本將進一步上升,當運距超過300公里時,長管拖車運氫經濟性不佳。

              壓力對長管拖車的輸氫成本有較大影響。預計到2030年,國內長管拖車的工作壓力可以達到35MPa,單車運氫量可達到700千克,單車造價約130萬元,百公里運氫成本約8元/千克;到2050年,國內長管拖車的工作壓力可以達到50MPa,單車運氫量可達到1200千克,單車造價約140萬元,百公里運氫成本約6元/千克。

              (2)液氫車船運輸

              由于液態氫的密度遠高于氣態氫,液氫運輸適用于運輸距離較遠、輸氫量較高的場景。目前國內多采用槽車運輸液氫,液氫槽車運輸方式相較于20MPa氣態長管拖車運氫方式,可使單車運氫重量提高約9倍,裝卸時間減少約1倍,且液氫槽車運輸在液化過程還能提高氫氣純度,一定程度上節省了提純成本。液氫槽車單位運氫成本主要與載氫量有關,目前液氫槽車單車載氫量可達4000千克,液氫槽車運氫成本約13.5元/千克。遠距離運輸條件下,液氫槽車運氫成本優勢較為明顯。

              液氫運輸在美國、歐洲、日本等國家和地區已實現較大規模的應用,2022年由日本川崎重工業公司制造的全球第一艘液化氫運輸船,并成功將澳大利亞液氫運抵日本。根據川崎重工的規劃,該公司將在2030年建造2艘商業規模的液化氫船,每年能夠進口22.5萬噸氫燃料;到2050年將液化氫船數量將達到80艘,每年能夠進口900萬噸氫燃料。

              (3)氨與甲醇車船運輸

              氨通常以液體形式運輸,運輸技術非常成熟,液氨的運輸方式包括水路船運、公路罐車、鐵路罐車以及管道運輸。中短距離液氨運輸通常為公路和鐵路罐車方式,大多數采用全壓式常溫槽罐。遠洋海上液氨運輸一般采用冷凍型液氨運輸船,船上配備制冷設施用來處理蒸發氣。一輛液氨槽罐車載氨量可達30噸(換算載氫量約5.29噸),載氫量較長管拖車(載氫量約0.4噸)提高了一個數量級,因此運氨成本也較運氫成本呈數量級降低。

              甲醇常態下為液態,其運輸方式包括水路船運、公路運輸、鐵路運輸和和管道運輸。一輛甲醇槽罐車載重量可達30噸(換算載氫量約為5.64噸),運輸成本與液氨相當,甲醇也可作為一種高密度儲氫材料,實現氫的安全高效經濟運輸。

              規?;\輸:氫基能源管道運輸

              相比于車船運輸等常規運輸方式,管網運輸是實現氫基能源大規模、長距離輸送最經濟、最節能的方案。

              (1)天然氣管道摻氫運輸

              天然氣管道摻氫運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),并通過現有天然氣管道進行輸送。相關研究利用華白數、燃燒勢、AGA指數判定,加以爆炸極限計算、擴散性安全分析,結果表明摻混氫氣的體積小于24%時,摻混氣與天然氣基準氣具有互換性。雖然國際上與中國部分區域已開展了天然氣摻氫的相關示范工作,但現有天然氣管網的大規模摻氫仍面臨諸多困難,需要逐步予以解決。

              (2)純氫管道運輸

              國內已建輸氫管道目前普遍采用低鋼級(20號鋼、L245N)管道,中低壓力(≤4MPa)運行,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及以上鋼級抗氫管道,目前管材已經研制成功,通過了實驗室內最大壓力和100%氫氣條件下的測試。美國投運的輸氫管道最高運行壓力已達到10.3MPa,已經達到了目前我國天然氣西氣東輸的骨干管道壓力等級(10MPa~12MPa)。

              我國已建氫氣輸送管道有金陵-揚子氫氣管道、巴陵-長嶺氫氣提純及輸送管線、濟源-洛陽氫氣管道、玉門油田輸氫管道等,管道里程約100公里,管道運行壓力均在4MPa以下,管徑從200mm~500mm不等。雖然我國在氫氣管道的設計、施工、運行及維護方面積累了一定經驗,但是相較國外先進水平仍有不小的差距。

              目前設計壓力在6.3MPa、管徑D610mm的純氫管道示范項目已處于工程建設階段,輸氫量級可達50萬噸/年。設計壓力6.3MPa、管徑D813mm的純氫管道處于前期設計階段,具備應用條件后,輸氫量級可達100萬噸/年。未來隨著抗氫脆管材、設備及技術的突破,國內純氫管道設計壓力將可能達到10MPa級,管徑達到D1016mm以上,相應輸氫量級達到200萬噸/年以上。

              目前國內外深遠海風電開發經濟性普遍不強,海上純氫管道輸送處于起步階段。雖然已有少數海上純氫管道服務于石油化工行業,但總體上國內外海上純氫管道研究較少,相比于陸上純氫管道,海上管道材質和施工均會造成一定成本增加,據估算,海上純氫管道輸送成本將比陸上純氫管道高出一倍左右。

              (3)液氨管道運輸

              氨通常以液體形式儲存,非常適合用管道進行運輸。液氨管道運輸不易受天氣和交通條件影響,效率較高。液氨管道運輸工藝一般分為低溫低壓運輸與常溫中壓運輸,其中港口、合成氨廠與儲罐區之間的短距離液氨管道及內部液氨流程工藝管道普遍采用低溫低壓輸送工藝,港口與氨廠之間以及兩者到下游客戶的長距離液氨管道則普遍采用常溫中壓輸送工藝,少數長距離氨管道也采用常溫高壓輸送工藝。

              國際上液氨管道輸送在美國和俄羅斯有較大規模的應用。美國輸氨管網始建于1960年,目前已建管道總里程約5000公里,其中最長的一條是由NustarEnergy經營的海灣中央管道系統,長度約3100公里,管道設計管徑為150~250mm,收集支線連接了7座氨合成廠,分配支線連接了36座大型中轉儲庫,最大操作壓力為9.8MPa,運輸能力達225萬噸/年。俄羅斯液氨管道始建于1978年,總里程約2400公里,用于連接俄羅斯大型氨生產基地與烏克蘭黑海港口敖德薩,實現氨的出口貿易,設計管徑350mm,設計輸送能力約250萬噸/年。此外,德國、英國、西班牙、波蘭等多個國家均建有中短距離液氨管道,這些管道長度多在10公里以下,主要用于港口、儲罐及附近用戶間的液氨輸送。

              中國液氨管道總里程較短,目前共建有4條液氨管道,總長度不超過200公里,總輸量不足100萬噸/年。1990年,我國第一條長距離液氨管道在秦皇島建成并投產運行,該管道至今仍為國內最長液氨管道。整個管道系統包括82.5千米的主管線、三個供氨站、一個加壓站、一個終端計量站及7個隔斷閥室,設計輸量10.5萬噸/年,設計壓力3.92MPa,最高運行壓力2.45MPa,全線采用20號無縫鋼管埋地敷設。

              我國液氨管道輸送起步晚、規模較小,管輸工藝及安全技術有待突破,設計建設和運行管理標準相對空白。據石油化工相關企業展望,借鑒已成熟油氣管網系統經驗,我國長距離液氨輸送管道有望實現壓力6.3MPa,管徑D356mm~D406mm,運輸量級達到150萬噸/年;隨后進一步突破達到壓力6.3兆帕,管徑D457mm~D559mm,運輸量級達到300萬噸/年。

              (4)甲醇管道運輸

              甲醇因同時可作為化工原料及能源載體而得到廣泛應用,目前我國的甲醇輸送方式主要是船運及汽運,運輸能力不足及運輸費用過高的問題已日益凸顯,管道運輸方式或可成為未來長距離輸送甲醇的有效解決方案。

              從國際來看,加拿大已有兩個甲醇長輸管道成功運營的案例,且均能保證甲醇長周期、安全穩定的輸送,其中一個管道是由原油輸送管道改造而來,管道全長1146公里,甲醇輸送能力為4000噸/日;另一個管道是由原液化石油氣輸送管道改造而來,管道全長3000公里,甲醇輸送能力為4000噸/日。

              從國內來看,2021年5月10日,中煤鄂能化100萬甲醇技改項目配套管線工程一次安全投產成功,管線工程線路全長約52公里,設計壓力2.5MPa,管道規格為D355.6mm,填補了國內長距離管道輸送甲醇的空白。

              甲醇管道需要借鑒成熟油氣管道的設計經驗,當前尚未形成統一的甲醇管道運輸標準規范。據石油化工相關企業展望,借鑒已成熟油氣管網系統經驗,我國長距離甲醇輸送管道有望實現壓力6.3MPa,管徑D356mm~D406mm,運輸量級達到150萬噸/年;隨后進一步突破達到壓力6.3兆帕,管徑D457mm~D559mm,運輸量級達到300萬噸/年。

              氫基能源規?;\輸經濟性

              管道運輸是未來氫基能源大規模、長距離運輸的主要方式。根據不同規格管道造價及輸送能力預測,按照8%資本金內部收益率要求,我院依據各類管道發展路徑展望下的不同時期技術參數,測算得到現狀、中期及長期三個不同階段氫、氨、甲醇管道輸送距離與管輸成本之間的關系。

            現狀階段氫基能源短距離管輸價格與輸送距離的關系圖

            中期階段氫基能源長距離管輸價格與輸送距離的關系圖

            長期階段氫基能源長距離管輸價格與輸送距離的關系圖

              “西氫東輸”氫能骨干管網展望

              由于我國水風光等可再生能源主要布在西部和北部的資源稟賦,綠氫制備與需求之間呈現典型的逆向分布特征,需要通過有效的運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輸問題,我院初步規劃布局了“西氫東輸”的新格局,即在西部及北部(新疆、青海、內蒙、西藏等地)利用大型新能源基地配套大型制氫基地,進行大規模制氫,再利用純氫管道將氫輸往中部以及東部區域進行消納。

              根據我院研究,為實現“碳中和”目標,未來全國綠氫年需求將達到1.2億噸,相應需配套約26億千瓦風光資源與12億千瓦制氫設備。為實現氫能長距離經濟輸運,構建以“西氫東輸”為主的全國高標準骨干氫網,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;或相當于3.9億噸標煤的熱值,年可減少二氧化碳排放約10億噸)。“西氫東輸”主要布局三條管線流向:蒙東/蒙西→京津冀;新疆/青海→陜西/甘肅/寧夏/湖北/川渝→山東/河南/江浙滬皖/閩贛湘;西藏→云南/貴州→廣東/廣西。

              預計全國氫能骨干管網基本建成后,終端用氫成本將大幅下降,全國范圍內可實現以管道運輸為主,交通運輸為輔的綜合氫能運輸系統,終端綠氫價格將低于25元/千克,促進氫能的市場競爭力大幅提升,助力我國新型能源體系的順利構建。

              (作者:易躍春 姜海 余官培,作者單位:水電水利規劃設計總院)


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