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● 儲氫技術(shù)按照氫的物理形態(tài)可分為氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫三種技術(shù)路線(xiàn)。
● 氨和甲醇是氫基能源目前主要的衍生品類(lèi)，運輸方式比較成熟，一般以液態(tài)形式通過(guò)車(chē)、船、鐵路以及管道等方式進(jìn)行運輸。
● 相比于車(chē)船運輸等常規運輸方式，管網(wǎng)運輸是實(shí)現氫基能源大規模、長(cháng)距離輸送最經(jīng)濟、最節能的方案。
氫基能源規?；瘍Υ婧瓦\輸是氫基能源大規模商業(yè)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(guān)鍵因素之一。
氫基能源的大規模、長(cháng)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(fā)展的起步階段，預期為適應氫基能源大規模發(fā)展與應用的要求，未來(lái)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(shù)
儲氫技術(shù)按照氫的物理形態(tài)可分為氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫三種技術(shù)路線(xiàn)。
高壓氣態(tài)儲氫是氫儲存最直接的方式。高壓氣態(tài)儲氫是指通過(guò)高壓將氫氣壓縮到一個(gè)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(chē)載儲氫瓶，壓力最高可達到70兆帕級。高端碳纖維技術(shù)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(fā)展的主要因素，未來(lái)高壓氣態(tài)儲氫還需向輕量化、高壓化、低成本、質(zhì)量穩定的方向發(fā)展，低成本的適用于高壓臨氫環(huán)境的新材料是研發(fā)的重點(diǎn)。地下儲氫是指利用地下地質(zhì)構造進(jìn)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(zhì)構造中儲存起來(lái)。地下儲氫具有儲存規模大、儲存周期長(cháng)、儲存成本低、安全性高四大優(yōu)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(tài)儲氫包含低溫液態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫兩種技術(shù)路線(xiàn)。低溫液態(tài)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70.78千克每立方米。氫氣液化系統和儲氫容器是氫氣低溫液化儲存的關(guān)鍵裝置。低溫液態(tài)儲氫具備儲量大、純度高、占地小、充裝快等優(yōu)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(tài)儲氫是利用氫氣與有機介質(zhì)發(fā)生可逆化學(xué)反應，實(shí)現氫的儲存和釋放，烯烴、炔烴、芳烴等不飽和液態(tài)有機物是目前較為常見(jiàn)的有機液態(tài)儲氫介質(zhì)。
固態(tài)儲氫是利用氫元素與載體材料反應生成化學(xué)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(tài)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(wèn)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(tài)儲氫材料分為物理吸附儲氫材料和化學(xué)吸附儲氫材料，物理吸附儲氫材料包括碳基材料、無(wú)機多孔材料和金屬有機骨架化合物等；化學(xué)吸附儲氫材料主要包括金屬氫化物、配位氫化物、化學(xué)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(xué)吸附儲氫材料包括金屬氫化物和輕質(zhì)金屬化合物，其中，金屬氫化物研究較為成熟。固態(tài)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(tài)儲氫的缺點(diǎn)在于儲氫材料在室溫下儲氫量過(guò)低，且吸附材料的制備昂貴，導致固態(tài)儲氫商業(yè)化程度較低。
氨通常以液體形式儲存，其儲存技術(shù)成熟，根據不同的操作壓力與溫度環(huán)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(lèi)型。甲醇是一種輕質(zhì)、易揮發(fā)、無(wú)色、易燃的有機化合物，常溫常壓下呈液態(tài)，存儲難度低。
氫基能源常規車(chē)船運輸
長(cháng)管拖車(chē)是最普遍的氣態(tài)氫運輸方式。由于氫氣密度小，儲氫容器自重大，長(cháng)管拖車(chē)實(shí)際運氫重量?jì)H為總運輸重量的1%～2%，因此長(cháng)管拖車(chē)運氫適用于運輸距離短且輸氫量較低的場(chǎng)景。
由于液態(tài)氫的密度遠高于氣態(tài)氫，液氫運輸適用于運輸距離較遠、輸氫量較高的場(chǎng)景。目前國內多采用槽車(chē)運輸液氫，液氫槽車(chē)運輸方式相較于20兆帕氣態(tài)長(cháng)管拖車(chē)運氫方式，可使單車(chē)運氫重量提高約9倍，裝卸時(shí)間減少約1倍，且液氫槽車(chē)運輸在液化過(guò)程中還能提高氫氣純度，一定程度上節省了提純成本。液氫槽車(chē)單位運氫成本主要與載氫量有關(guān)，目前液氫槽車(chē)單車(chē)載氫量可達4000千克，液氫槽車(chē)運氫成本約13.5元/千克。遠距離運輸條件下，液氫槽車(chē)運氫成本優(yōu)勢較為明顯。
液氫運輸在美國、歐洲、日本等國家和地區已實(shí)現較大規模的應用，2022年由日本川崎重工業(yè)公司制造的全球第一艘液化氫運輸船，成功將澳大利亞液氫運抵日本。
氨通常以液體形式運輸，運輸技術(shù)非常成熟，液氨的運輸方式包括水路船運、公路罐車(chē)、鐵路罐車(chē)以及管道運輸。甲醇常態(tài)下為液態(tài)，其運輸方式包括水路船運、公路運輸、鐵路運輸和管道運輸。
氫基能源規?；\輸
相比于車(chē)船運輸等常規運輸方式，管網(wǎng)運輸是實(shí)現氫基能源大規模、長(cháng)距離輸送最經(jīng)濟、最節能的方案。
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(guò)現有天然氣管道進(jìn)行輸送。雖然國際上與中國部分區域已開(kāi)展了天然氣摻氫的相關(guān)示范工作，但現有天然氣管網(wǎng)的大規模摻氫仍面臨諸多困難，需要逐步予以解決。
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(≤4兆帕)運行，研究表明輸送氫氣壓力越高，管線(xiàn)鋼材的氫脆敏感性越大。近年，國外開(kāi)始研制大口徑的X60及以上鋼級抗氫管道，目前管材已經(jīng)研制成功，通過(guò)了實(shí)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10.3兆帕，達到了目前我國天然氣西氣東輸的骨干管道壓力等級。
我國在純氫工業(yè)管道、專(zhuān)用管道方面積累了較豐富的建設及運維經(jīng)驗，總里程超過(guò)300公里，但在純氫長(cháng)輸管道建設方面較滯后，在役管道總里程不足100公里。
氨通常以液體形式儲存，非常適合用管道進(jìn)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。甲醇因同時(shí)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(guò)高的問(wèn)題已日益凸顯，管道運輸方式或可成為未來(lái)長(cháng)距離輸送甲醇的有效解決方案。
“西氫東輸”氫能骨干管網(wǎng)展望
由于我國水風(fēng)光等可再生能源主要分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(guò)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(cháng)距離運輸問(wèn)題，水電規劃總院初步規劃布局了“西氫東輸”的新格局，即在西部及北部(新疆、青海、內蒙古、西藏等地)利用大型新能源基地配套大型制氫基地，進(jìn)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(jìn)行消納。
根據水電規劃總院研究，為實(shí)現“雙碳”目標，未來(lái)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(fēng)光資源與12億千瓦制氫設備。為實(shí)現氫能長(cháng)距離經(jīng)濟運輸，構建以“西氫東輸”為主的全國高標準骨干氫網(wǎng)，總投資超過(guò)10萬(wàn)億元人民幣，管道總長(cháng)度約9.3萬(wàn)公里，承載約7900萬(wàn)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)。
預計全國氫能骨干管網(wǎng)基本建成后，終端用氫成本將大幅下降，全國范圍內可實(shí)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(jià)格將低于25元/千克，促進(jìn)氫能的市場(chǎng)競爭力大幅提升，助力我國新型能源體系的順利構建。
特約撰稿人 易躍春 姜海 余官培
(作者單位：水電水利規劃設計總院)
