輸氫技術現狀分析及產業發展概述

張莎 李文柱 劉姝瑋 梁美茹 張天一

摘要：當前我國氫能產業正在快速發展，眾多企業全力爭取在氫能時代占據更大的市場份額。目前我國氫能技術研究與產業發展已取得許多重大突破，但主要集中在上游制氫及下游氫能使用領域。本文以輸氫為切入點，對國內輸氫技術及產業發展現狀進行總結分析，并對國內現行相關標準規范歸類總結，以期進一步推進國內對輸氫技術發展的重視，為國內輸氫產業發展提供一定的參考意義。

關鍵詞：氫能輸氫技術產業發展標準規范

Current Situation Analysis of Hydrogen Transmission Technology and Overview of Industrial Development

ZHANG ShaLI WenzhuLIU Shuwei LIANG MeiruZHANG Tianyi

（China Nuclear Seventh Research and Design Institute Co.， Ltd.， Taiyuan， Shanxi Province， 030012China）

Abstract： At present， China's hydrogen energy industry is developing rapidly， and many enterprises are striving to occupy a larger market share in the era of hydrogen energy. At present， many breakthroughs have been made in the research and industrial development of hydrogen energy in China， but they are mainly in the fields of upstream hydrogen production and downstream hydrogen energy use. This article takes hydrogen transportation as the starting point， summarizes and analyzes the status quo of domestic hydrogen transportation technology and industry development， and categorizes and summarizes existing domestic standards and regulations， with a view to further promoting domestic attention to the development of hydrogen transportation technology， and provide a certain reference for the development of the domestic hydrogen transportation industry.

Key Words： Hydrogen energy， Hydrogen transport technology，Industrial development， Standard specification

發展氫能產業是我國實現“碳達峰、碳中和”的重要路徑，是我國大規模儲能需要的重要手段，也是我國建設以新能源為主體的新型能源系統、提高能源安全的重要舉措。可以預見，氫能作為重要的二次能源載體和化工原材料，在未來將在更大程度上地參與到國民經濟中。據不完全統計，截至2021年11月，已有41個省市（地方）陸續發布氫能產業專項規劃，部分地市還出臺了區級氫能規劃。

在我國氫能產業鏈主要包括制氫、氫儲運及加注氫[1]。其中，氫儲運對技術及基礎設施要求較高，是目前產業鏈發展的重要問題，需要進一步加強技術攻關及基礎建設。

1 輸氫技術現狀及分析

輸氫方式主要有氣態、液態與固體3種[2]。其中，氣態和液態是目前國內實現規模運輸的輸氫方式，固體儲氫輸氫方式仍處于實驗室階段。

1.1 氣態輸運

氣態輸氫可分為長管拖車輸運和管道輸運兩種方式。長管拖車技術較為成熟，主要由高壓儲氫瓶組放置在拖車上組成。該技術是國內氫氣近距離輸運的重要方式，加氫站外進氫氣均采用長管拖車輸運。國內長管拖車以20MPa運氫為主，國外則已普遍發展到45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車[3]。

長輸管道輸氫能夠實現大規模、長距離運輸，運輸壓力通常為1.0～4.0MPa。管道輸氫主要有兩種方式，天然氣摻氫輸運與純氫輸運，我國氫網尚未規模化建設。管道輸運因“氫脆”現象所需的管材特殊性，導致建設初期成本較高，且需獲得相關部門許可。

1.2 液態輸送

將氫氣深冷成液態后，利用多種運輸工具實現液氫運輸。液氫輸運可大大提高運輸效率，但對液化設備要求高，投資大、能耗高。國內液氫主要應用在航天和軍事領域，運輸方式以槽罐車為主，民用液氫相關配套設置尚未成熟，但國外液氫槽罐車已成為加氫站的重要外進氫氣來源。液氫還可利用雙層絕熱套管管道運輸，國內目前只用于短距離輸送。

液體儲氫運輸是實現液態輸送的一種新型技術方式，利用催化劑與加熱等實現儲氫載體的加氫、放氫過程。儲氫載體主要有有機液體、液氨及甲醇等，其中有機液體儲氫的研究最為廣泛，已逐步向工業化推進。

1.3 固體輸送

利用輕質儲氫材料作為載體，放入特定貨車的隨車低壓高密度固態儲罐來實現固體氫運輸，這種輸氫方式能夠增加單車運氫量，提高運氫安全性。主要的固體儲氫方式有金屬氫化物儲氫、碳納米管/納米炭纖維儲氫、活性炭吸附儲氫及玻璃微球儲氫等[4]。國內固態儲氫主要通過金屬氫化物進行，但迄今尚未實現固態氫氣輸送規模化使用。

1.4 小結及分析

氫能產業初期發展階段，輸氫方式將主要以45MPa長管拖車、低溫液氫、管道（示范）輸運等為主。長輸管道一次性投資大、靈活性差，但建成后運輸成本最低。在氫管網建成之前，利用天然氣管網摻氫運輸也是可行的技術路線。液氫槽罐車也適用于長距離輸運，但目前液化成本較高，在未來突破技術和經濟瓶頸后，將成為氫輸運的重要方式。

2 輸氫產業發展現狀

2.1輸氫產業總體概況

目前我國液氫運輸的基礎尚不成熟，主要應用在航天和軍事領域，尚未達到民用水平;液氫管道運輸只應用在特殊場合。國外液氫運輸已進入規模化使用，液氫槽罐車已成為加氫站外進氫氣重要來源。

國內主流輸氫方式仍為高壓氣態輸運，所需長管拖車運輸設備技術也相對成熟，已發展成長了一批相關企業。但隨車儲氫罐壓力等級和儲氫量與國際通用水平還存在一定差距。

我國氫氣運輸管道建設仍處于起步階段。全球范圍內輸氫管道近5000km，其中歐洲氫氣長輸管道總長約1770km，美國總長超過2600km，國內輸氫管道僅有約100 km。按照《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》[5]預計，國內氫氣管網建設到2030年將總計3000km。

2.2 國內參與輸氫業務的主要企業

氫能目前已經是繼儲能之后能源領域的新熱點，各大能源類企業紛紛布局氫能。2021年7月16日，國資委在國務院新聞發布會上提到，目前全國超過1/3的中央企業已經在制定包括制氫、儲氫、加氫、用氫等全產業鏈的布局。以輸氫產業為例，中石油、中石化、寶武集團、國家能源集團、國家電投集團、三峽集團等央企已在該領域發展成長。國內主要氫儲運企業下表1所示。

2.3 輸氫產業前沿水平

國外通常采用45MPa纖維全纏繞高壓氫瓶長管拖車運氫，運氫量最高可達700kg/車。國內長管拖車氣瓶公稱壓力規定為10～30MPa，氫氣長管拖車仍以20MPa為主，運氫量300 kg/車左右。

澳大利亞2021年試點啟動天然氣管道改造成純氫運輸管道項目。德國Avacon公司將在薩克森·安哈爾特州的天然氣管網中摻約20%的氫。國內目前已建管徑最大、壓力最高、輸量最高的濟源-洛陽氫氣管道，全長25m，管徑508mm，設計壓力4.0MPa。河北定州至高碑店氫氣長輸管道可行性研究項目是現有規劃建設最長的氫氣管道，全長約145km。國內近些年先后開展了朝陽天然氣摻氫示范工程、寧夏天然氣摻氫降碳示范化工程中試項目及廣東海底摻氫管道項目等。

歐美日等國家的液氫儲運已進入規模化應用。俄羅斯的液氫儲罐容量最大可至437m3，儲氫量約100.59t。美國NASA建造有液氫用大型駁船，儲存容量可達1000m3。德國針對12萬m3大型液氫駁船已展開研究。我國液氫主要應用在航天領域，民用領域發展還不成熟。2020年鴻達興業建成國內首條民用液氫生產線，2021年完成國內首次民用液氫超長距離運輸，填補了民用液氫的空白。

固態儲氫已在國外燃料電池潛艇中投入商用，在規模儲氫中進行示范應用，國內固態/液態儲氫技術也已有示范案例，但儲氫運輸技術尚未達到商業化使用。

2.4 輸氫行業現行標準規范

2.4.1 非長輸管道輸氫相關標準

目前，國內輸氫方式主要以短距離高壓長管拖車為主。國內液氫運輸也有一定的應用，集中在航天與軍事領域。表2與表3為國內外非長輸管道輸氫的相關標準匯總表。

2.4.2 長輸管道輸氫標準

國內氫氣管道建設量較少，管道直徑和設計壓力較低，相關標準體系仍不完善，目前國內仍沒有適用于氫氣長輸管道的設計標準。僅與國標《輸氣管道工程設計規范》《工業金屬管道設計規范》《氫氣站設計規范》等[6]標準相對臨近，但其中介質不包括氫氣，只起到參考作用。2021年中國標準化協會加大了推進力度，相關標準編制正在逐步開展。輸氫管道目前僅有國外標準《氫氣管道和管線》《氫氣管路和管道》《氫氣管道和管道系統用STP-PT-006設計指南》等供參考。

3 結語

在國家能源安全及環境問題的助推下，氫能的開發利用成為解決能源矛盾的重要方式之一。對比國外成熟的氫能輸運技術，國內的輸氫技術在經濟性和安全性上還存在一定的問題，亟需暢通氫能產業鏈的可持續循環。此外，需進一步充實與完善氫氣長輸管道的相關標準體系，為我國氫網的大規模建設提供支撐。國內相關研究人員及單位應進一步加強對輸氫領域的重視，以促進輸氫技術與產業的高質量可持續發展。

參考文獻

[1]張揚軍，彭杰，錢煜平，等.氫能航空的關鍵技術與挑戰[J].航空動力，2021（1）：20-23.

[2]劉自亮，熊思江，鄭津洋，等.氫氣管道與天然氣管道的對比分析[J].壓力容器，2020，37（2）：56-63.

[3]曹軍文，覃祥富，耿嘎，等.氫氣儲運技術的發展現狀與展望[J].石油學報（石油加工），2021，37（6）：1461-1478.

[4]陳東，陳廉.21世紀先進氫能載體材料產業化前景——質子交換膜燃料電池（PEMFC）最佳氫燃料源[J].新材料產業，2002（10）：31-34.

[5]凌文，劉瑋，李育磊，等.中國氫能基礎設施產業發展戰略研究[J].中國工程科學，2019，21（3）：76-83.

[6]張有渝，李平利，袁勇，等.輸氣管道與工業管道技術上的區別和對策[J].天然氣與石油，2020，38（2）：32-38.