氢能运输方式与技术发展现状及挑战

氢能具有来源丰富、质量燃烧热值高、比冲量大、使用过程零碳清洁、用途广泛等特点，氢能发展为推动“碳达峰、碳中和”（简称“双碳”）目标的实施和绿色低碳转型提供了有效途径，对于构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，落实能源安全新战略具有重要意义。氢能有望在交通、化工、发电等多个领域发挥重要作用。

氢能产业链主要包括上游制氢、中游储运，以及下游多元化的应用场景（图1）。中国是全球最大的氢气生产国，根据中国煤炭工业协会数据，2022年国内氢气产量4 004万t，同比增长32%，占2021年全球氢气产量的28%。其中，化石能源制氢占比为81%，主要包括煤制氢和天然气制氢；工业副产氢占比为18%，主要包括氯碱工业副产氢、焦炉煤气副产氢、轻烃裂解副产氢、合成氨及甲醇副产氢4类；电解水制氢技术要求较高，成本较高，占比约为1%，包括电网、风电、光伏、水电、核电电解水制氢等。目前，中国可再生能源装机量全球第一，未来通过可再生能源电解水制氢潜力巨大。

Fig. 1　Industrial chain of hydrogen energy

目前，中国下游用氢成本较高，市场尚处于培育期，但长期来看，氢能将在中国新型能源体系中发挥核心作用。据中国氢能联盟等机构预测，2030年中国氢能总需求预计达到约3 715万t，在终端能源消费中占比约5%，绿氢产量约为500万t。随着技术成熟度提高和“双碳”战略实施，氢能需求增长加快，2040年和2050年将分别达到5 700万t和9 690万t，2060年将突破1.3亿t，在终端能源消费中占比约为20%。目前，中国氢能的应用场景主要包括化工、钢铁、交通、航空航天等领域，其中化工领域在氢能消费中占比最高。化工领域的氢能应用场景主要集中在合成氨、合成甲醇、炼厂炼化等高耗氢环节；钢铁领域主要集中在头部钢企对氢能炼钢项目的广泛布点；交通领域在重型货运、轻中型物流车、公交车、矿山机械、港口机械、清洁车等多个场景得到一定比例的应用；航空领域，氢能飞机快速发展，氢涡轮和氢燃料电池是航空领域的重要应用方向，预计2035年后使用氢燃料替代现用喷气燃料的氢能飞机将投入使用；航天领域，液态氢（简称液氢）可作为火箭的燃料和推进剂，被广泛应用于火箭的一、二级动力系统中。

固态金属储氢技术是将氢与金属或合金化合形成金属氢化物，以固体的形式储存。其技术路线是利用储氢合金捕捉氢的能力，在一定的温度和压力条件下，与氢气反应生成金属氢化物，在使用时对这些金属氢化物加热，将储存在其中的氢释放出来。此方法适用于体积要求较严格的场合，如氢能燃料电池汽车等。

表1　不同氢能运输方式特点总结

Table 1　Characteristics of various hydrogen energy transportation methods

1.2.1  高压气态运输

1.2.1.1  长管拖车

长管拖车是由大容积钢制无缝气瓶通过框架与走行装置固定或直接与走行装置固定而组成的高压氢气运输设备，其储氢空间一般由6~10个压力15~35 MPa、容积10~30 m³的无缝高压气瓶组成，可充装3 500~4 500 m³氢气。它具有灵活机动、方便快捷、运输效率高等优势，是目前技术最成熟、使用最广泛的高压氢气运输方式。尽管长管拖车灵活便捷，但单车单次运氢量通常在500 kg以内，只占总运输质量的1%~2%，且卸载时间长。并且将氢气加压至20 MPa时，还会消耗能量约14 MJ/kg，即氢气加压的过程需要消耗约10%的氢气能量。由此可见，依靠长管拖车运输的方式，在增压和运输过程中存在较大的能量损失，运输成本较高。

1.2.1.2  管道运输

管道输氢是指利用管道系统将氢气从生产地点运输至使用地点的过程。氢气管道的应用场景涵盖了工业生产、交通运输、能源储运等多个领域。在工业生产中，氢气管道的运输距离通常为数百米至数公里，用于将氢气从氢气生产设施运输至各种生产设备或反应器。燃料电池车辆加氢站通常需要与氢气生产设施或氢气供应网络相连接，运输距离一般为数十米至数百米。在能源储运领域，运输距离通常较长，可能需要数十公里甚至上百公里的氢气管道网，用于连接氢气生产设施、氢气储存设施和能源利用设施。

随着氢能产业大力发展，氢能运输需求规模不断扩大，管道输氢是氢能产业发展成熟阶段实现氢气长距离、大规模运输的必然趋势，也是最经济的方式，其具体运输方式主要分为纯氢管道运输、天然气管道掺氢运输和在役油气管道改输氢气等。

1）国外氢气运输管道

国外纯氢管道建设较早，技术较为成熟，X52及以下钢级输氢管道已经大规模工程应用，建成的氢气管道一般以低于6.9 MPa的压力运行。由于新建输氢管道投资大且建设时间长，全球各国在2000年就开始深入研究天然气管网中掺氢，如荷兰Ameland项目、英国HyDeploy项目、德国Avacon计划、欧盟NaturalHy项目、欧洲氢气骨干网计划等，大部分示范项目掺混比例控制为0.1%~20.0%。将在役石油或天然气管道改造成输氢管道也是提高管道输氢经济性、节省建设时间的重要选择，典型项目包括荷兰Dow Benelux—Yara的天然气改输氢气管道、法国Corpus至Christi的原油改输氢气管道等。

2）国内氢气运输管道

相比国外，中国纯氢运输管道建设比较缓慢，现有纯氢运输管道总里程仅约400 km，均以炼油化工用氢为目的且普遍采用低钢级（20号钢或L245N）、中低压力（≤4 MPa）运行，输量小、管材成本高，在设计、运维、试验方法等方面尚未形成标准体系。巴陵—长岭氢气管道是中国目前最长的纯氢运输管道，全长约42 km，设计压力为4 MPa。中国石油化工集团有限公司“西氢东送”输氢管道示范工程已纳入国家规划，该项目起于内蒙古自治区乌兰察布市，终至北京市，管道全长超过400 km，是中国首条跨省区、大规模、长距离的纯氢运输管道。预计到2030年，中国纯氢运输管道总里程将超过3 000 km。

中国的掺氢天然气管道建设也处于起步阶段，仅有少数示范应用项目。2023年深圳市燃气集团股份有限公司与中国石油大学（华东）等合作，搭建并投用了中国首座城镇燃气掺氢综合实验平台，包括掺混模块、减压调压模块、管材相容性评价模块、燃气器具测试模块及终端利用模块。据中国城市燃气协会《天然气管道掺氢输送及终端利用可行性研究报告》预测，“十四五”时期中国将新增天然气管道掺氢示范项目15~25个，掺氢比为3%~20%，总长度超过1 000 km。

随着国家“双碳”目标的稳步推进，预计从2040年开始，石油天然气需求量将呈现下降趋势，利用在役天然气管道或油品管道改输氢气具有迫切的生产需求和显著的经济优势，而中国针对在役油气管道改输氢气尚无实践成果，以鄯乌线为代表的在役油气管道改输氢气项目正处于规划阶段。目前，中国的氢能运输技术远远不能满足未来大规模输氢的需求，正在加快纯氢及掺氢长输管道规划布局。

1.2.2  低温液态运输

液氢的储氢密度较高，在0.1 MPa压力下的密度为70.9 kg/m³，是标准状况下氢气密度的856倍，在长距离、大规模的氢气运输方面具有一定的优势。作为一种高效燃料，液氢可与液氧等氧化剂混合使用，产生强大推力，用于推动航天器进入轨道或进行太空探测任务；同时，液氢可作为航天飞机的发动机燃料，也可作为航天器燃料电池的燃料，因此液氢在航空航天领域已有广泛应用。目前，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）、日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA）等在该领域均取得显著成绩。液氢运输已进入成熟应用阶段。在民用方面，低温液态储氢技术主要应用于液氢储氢型加氢站及氢液化工厂。截至2023年，美国建设有25座以上的液氢工厂，主流生产能力为10~30 t/d，产能占全球80%以上。中国在液氢民用领域尚处于起步阶段。

低温液态储氢容器对绝热性能有较高的要求，目前制约其大规模发展的因素是低温材料和绝热技术。在低温材料技术方面，液氢储存容器通常采用不锈钢、镍基合金、铝合金及玻璃纤维强化塑料等材料，这些材料能在液氢低温环境下保持出色的性能。目前，在役液氢储罐主要采用常规奥氏体不锈钢作为容器材料。从成本角度考虑，是否可以将常规奥氏体不锈钢作为推荐使用的液氢容器材料纳入标准中，值得进一步研究和评估。

为提高液氢储存容器的保冷效果，在低温绝热技术方面，需要从导热、对流和辐射3个方面着手。根据外界是否主动提供冷量输入，低温绝热技术可分为被动绝热和主动绝热。目前，被动绝热技术已得到广泛应用，常见的被动绝热技术包括堆积绝热、高真空绝热、真空粉末绝热、真空多层绝热、变密度多层绝热、自蒸发蒸气冷却屏，以及上述技术的组合应用。相比之下，主动绝热技术结构复杂、能耗大、成本高，应用场景相对有限。

液氢是仲氢和正氢的混合物，仲氢与正氢的化学性质相同，而物理性质有所差异，表现为仲氢的基态能量比正氢低，正氢会自发地向仲氢转化并放出热量，使液氢产生蒸发损失。因此，需在氢气液化过程中使用催化剂来提高正-仲氢转化率。

由于目前技术的限制，在液氢远洋运输的船舶上对性质活泼的液氢蒸发气（Boil-Off Gas, BOG）的可靠处理技术还存在挑战。鉴于液氢蒸发气挥发率低、蒸发量小，无法满足燃料系统的需求，需要配备气化器来补充BOG。由于液氢的纯度要求极高，同时氢气液化的难度很大，因此液氢一旦气化，不是在运输船上处理和再液化，而是在运输船上设计液氢蒸发气缓冲罐，用来储存常压BOG气体。这些BOG气体既可以作为燃料供给主机，也可以调压后运输给下游用户。

液氢加注系统一般为自增压式挤压加注。在液氢的加注系统中，尤其是在航空航天领域，液氢的安全运输对成功加注至关重要。由于液氢具有超低温、易燃、易蒸发等性质，它在管道运输中如果漏热很容易产生两相流，造成管内的压力和温度发生突变，影响管道的寿命，甚至发生爆裂、爆炸等安全事故。同时，在液氢加注过程中，由于静电电荷积累、加注速度过快、带电介质掺入、人体导电等原因容易出现静电起电的现象，甚至引发爆炸事故。

1.2.3  有机液体运输

有机液体储氢技术具有储氢密度高、可利用现有石化设施进行运输等优势，避免了物理运输氢能时所需要的高压与低温等苛刻条件。有机液体管道输氢技术通常涉及3个环节（图2）：①不饱和有机液体经催化加氢反应形成储氢有机液体，实现氢能常温常压液态储存；②储氢有机液体的管道运输；③储氢有机液体到达用户终端后借助催化剂实现氢能的释放和利用。

Fig. 2　Hydrogen transportation technology based on organic liquid pipelines

储氢有机液体可以像石油一样实现长距离管道运输，因而降低氢能规模利用运输成本。一般来说，性能优良的有机液体储氢介质需要具有高沸点（>300 ℃）、高储氢密度、低放氢温度等技术参数优势。其中，对于储氢密度，国际能源署规定标准为质量储氢率>5%，体积储氢率>40 kg/m³。此外，有机液体储氢介质还需具备低成本、低毒性以及与当前燃料基础设施高兼容性等商业优势。

在适合作为有机液体储氢的材料中，甲醇是目前在理论上和实际应用中均具有管道运输可行性的有机液体储氢载体。国内外甲醇管道累计长度约5 000 km。此外，氨作为一种高效、安全的氢能载体也逐渐受到国际社会的高度关注。以液氨为储氢载体的长距离管道运输技术已经在全球范围内实现工程应用。目前，世界上长输液氨管道主要分布在美国和俄罗斯。美国液氨管道总里程接近5 000 km，俄罗斯总里程约2 400 km。中国液氨管道起步较晚且总里程较短，目前总里程不超过200 km。

储氢有机液体管道运输安全性方面，甲醇具有腐蚀性很小，不需要内防腐，并且运输过程中不需要保温设施等优势。已有的甲醇运输管道项目表明，甲醇属于易运输的介质，并且在运输过程中具有较高的安全性。液氨管道运输时，必须保证管道中任何一点的压力都高于液氨在运输温度下的饱和蒸气压力，否则液氨会在管道中气化形成气塞，大大降低管道的流通能力。此外，若液氨中含水、氧气、氮气等杂质，则会增加管材发生应力腐蚀开裂的可能性。

1.2.4  固态金属运输

在低温液氢运输材料方面，中国现有的标准对于奥氏体不锈钢的最低设计温度为‒196 ℃，不能满足低温液氢储存容器的设计温度要求，需建立奥氏体不锈钢材料的低温力学性能数据库。基于此，液氢温度（-253 ℃）下材料力学性能的测试及评价是低温液氢运输面临的关键问题。

目前，关于液氢无损储存的仲正氢转化的影响及其流动和传热特性的研究较多，而缺乏关于建立液氢储罐内部的气相氢的压力场、温度场、浓度场和自然对流流场等的研究。因此，气相氢的物理场研究及仲正氢催化区位置的确定也是未来需要解决的关键问题。

在“双碳”目标下，随着中国能源生产和消费结构的进一步灵活多样，氢能已成为管网输配的重要对象。管道运输行业面临着氢能运输问题的一系列挑战。目前，中国已在纯氢管道运输技术、掺氢管道运输技术、储氢有机液体管道运输技术及储氢技术等领域取得了一定进展及成就，有力支撑了中国氢能运输行业的发展，但在一些方面与国外相比仍存在较大差距。未来，管网布局规划、材料相容性、管道运输工艺及设备适应性、运行安全保障技术等将是氢能管道运输行业发展的重点方向。氢能管道运输技术的进步，将对中国氢能产业规模化和可持续性发展发挥关键作用。

来源：前瞻科技杂志