深入分析：利用天然氣基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行氫氣運輸?shù)哪康?/p>

　　歐盟于2020年7月發(fā)布的“歐洲氣候中性氫戰(zhàn)略”只是一系列旨在促進(jìn)使用氫來脫碳和整合能源系統(tǒng)的計劃中最新的一個。20國集團(tuán)、德國和日本也表示有興趣開發(fā)這一技術(shù)。最近，德國管道運營商Nowega、Gascade和西門子能源公司聯(lián)合發(fā)布了一份白皮書，研究了將天然氣管道轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥?a href="http://msthinker.com/news/article-861.html" target="_blank">氫能源轉(zhuǎn)型支柱的實際問題。

　　除了從天然氣中產(chǎn)生的脫碳?xì)?，由可持續(xù)電力供電的電解槽產(chǎn)生的綠色氫可用于行業(yè)耦合(“power-to-x”)和可再生能源的大規(guī)模存儲。

　　由于可再生能源和電解槽成本的下降，綠色氫在經(jīng)濟(jì)上變得更加可行。將能源系統(tǒng)的所有要素與氫連接起來，有望提高效率，減少碳排放，增加能源系統(tǒng)的穩(wěn)健性，同時確保供應(yīng)安全。在這種情況下，一個經(jīng)常被提及的優(yōu)點是，天然氣基礎(chǔ)設(shè)施可以重復(fù)使用，只需針對運輸和儲存氫氣進(jìn)行少量更改。

　　管道的最大能量密度

　　氫氣可以在高壓容器中以氣體的形式運輸，在隔熱容器中以液體的形式運輸，以加工成甲醇或氨的形式運輸，或在化學(xué)載體介質(zhì)中運輸。然而，到目前為止，最經(jīng)濟(jì)可行的方法是通過管道，可以實現(xiàn)非常高的能源輸送能力。

　　電力傳輸系統(tǒng)是各國可再生能源運輸?shù)闹匾е?。理想情況下，天然氣系統(tǒng)可以補充這一點：一個標(biāo)準(zhǔn)管道可以傳輸高達(dá)10倍于380kv、額定功率為1.5GW的雙架空電力線的能量，而成本約為后者的十四分之一。但是，改造現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施以適應(yīng)氫氣需要付出多少努力呢？

　　德國天然氣系統(tǒng)位于歐洲能源系統(tǒng)和長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)的中心，擁有密集的全國天然氣管道基礎(chǔ)設(shè)施，為解決如何將天然氣基礎(chǔ)設(shè)施最經(jīng)濟(jì)地轉(zhuǎn)化為用來傳輸氫氣提供了獨特的機(jī)會。

　　成熟的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施

　　德國的天然氣管道系統(tǒng)擁有超過40,000公里的長途傳輸干線和超過470,000公里的配送網(wǎng)，非常發(fā)達(dá)。此外，作為向鄰國供應(yīng)天然氣的重要中轉(zhuǎn)國，它擁有所有歐盟成員國中最廣泛的儲存能力，工作氣體量約為267億立方米，其基礎(chǔ)設(shè)施與歐洲其他天然氣市場緊密相連，使其成為可持續(xù)和安全的氫能源系統(tǒng)的潛在基石。

　　Christoph von dem Bussche是Gascade的首席執(zhí)行官。Gascade是一家德國天然氣管道運營商，管理著一個長約2900公里的輸送系統(tǒng)，通過歐洲主要的運輸管道連接到俄羅斯和北海港口。他說：“現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施對歐盟實現(xiàn)氣候中性的氫戰(zhàn)略具有非常高的價值。首先，建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施需要大量的時間。利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，我們可以更快地實現(xiàn)我們的氣候目標(biāo)。其次，使用現(xiàn)有管道非常劃算，可以將未來的能源價格保持在低位。”

　　材料測試：天然氣管道能夠輸送氫氣嗎？

　　但是，為天然氣設(shè)計的管道和部件是否在向氫的轉(zhuǎn)變中完全兼容呢？哪些(如果有的話)是需要做出更改的？

　　在標(biāo)準(zhǔn)條件下，甲烷的熱值是氫氣的三倍。相反，在管道系統(tǒng)中，密度較小的氫氣的流速比甲烷的流速高3倍。這意味著同樣的管道在相同的壓力下，在給定的時間內(nèi)可以輸送三倍以上的氫氣，而能量輸送能力僅略低些。

　　另一個因素是鋼管和配件的完整性。根據(jù)鋼的質(zhì)量和可能暴露于原子氫中的情況，理論上，脆化會加速裂縫的擴(kuò)展，使管道的使用壽命減少20%到50%。不過，只有當(dāng)管道已經(jīng)發(fā)生斷裂，并且受到內(nèi)部壓力波動而產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力，同時又暴露在原子氫中，才有可能出現(xiàn)這種情況。然而，這三個因素同時被滿足似乎不太可能：在正常運行條件下，應(yīng)該很少有負(fù)載的變化，并且只輸送分子氫(H2)。

　　順其自然：壓縮氫氣用于洞穴儲存

　　盡管如此，還是需要進(jìn)行一些調(diào)整。為了將氫氣壓縮到管道的工作壓力，沿途需要壓縮站。如果氫氣與甲烷混合，現(xiàn)有的天然氣壓縮機(jī)保持不變，根據(jù)氫氣的混合情況，某些部分可能需要調(diào)整。如果氫含量超過40%，壓縮機(jī)就需要更換了。要完全轉(zhuǎn)換到100%氫氣的管道，需要安裝新的、更多的渦輪機(jī)或馬達(dá)，以及更強(qiáng)大的壓縮機(jī)，以提供比天然氣高三倍的氫氣流量。

　　由于在2030年之前，德國預(yù)計不會出現(xiàn)如此大規(guī)模的氫能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型目標(biāo)，第一批將現(xiàn)有管道轉(zhuǎn)換為氫能源的試點已經(jīng)在考慮之中，氫基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)與現(xiàn)有天然氣資產(chǎn)并行建設(shè)。在德國北部，長距離的天然氣網(wǎng)絡(luò)由巨大的適合儲存氫氣的地下儲存設(shè)施作為補充。這些蓄水層和洞穴儲存庫占?xì)W洲天然氣儲存庫容量的近四分之一，地理位置便利，靠近北海沿岸的主要港口和海上風(fēng)電場。

　　一場全球性的氫革命是可行的

　　向氫能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變可以相當(dāng)迅速地實現(xiàn)，只需對現(xiàn)有的運輸基礎(chǔ)設(shè)施和硬件進(jìn)行適度調(diào)整。在德國，許多公司和機(jī)構(gòu)已經(jīng)形成了GET H2倡議，以創(chuàng)建一個有競爭力的氫市場，并適應(yīng)法律和監(jiān)管框架。其中之一是Nowega，這是一家擁有約1500公里高壓天然氣管道的輸送系統(tǒng)運營商。Nowega首席執(zhí)行官Frank Heunemann認(rèn)為，德國的氫氣戰(zhàn)略已經(jīng)確定了正確的優(yōu)先順序。他說：“現(xiàn)在重要的是確定具體的框架條件，作為開發(fā)綠色氫成為能源轉(zhuǎn)型的基本元素的基礎(chǔ)。”

　　雖然補貼可以幫助第一個步驟實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行，但是如果競爭性公司要長期開發(fā)該市場，則需要穩(wěn)定的政治指導(dǎo)方針，Heunemann認(rèn)為：“為了利用現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施在工業(yè)規(guī)模上實施項目，今年德國的能源立法必須為氫運輸?shù)於ǚ苫A(chǔ)。只有在此基礎(chǔ)上，公司才能為開發(fā)投資提供可靠的長期基礎(chǔ)。”盡管前提條件在德國等國家特別有利，但歐盟在其戰(zhàn)略文件中指出，其他成員國也可以通過重復(fù)使用管道和存儲設(shè)施來減少投資需求。

　　如果這種轉(zhuǎn)變在歐洲是可行的，那么在其他擁有合適基礎(chǔ)設(shè)施的國家和地區(qū)，也沒有理由不可行。“現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施針對于氫氣的轉(zhuǎn)變，以合理的經(jīng)濟(jì)努力支持未來的可持續(xù)能源供應(yīng)。從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度來看，將現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施用于新的目的也是有意義的。”Gascade首席執(zhí)行官von dem Bussche說。

　　投資氫技術(shù)不僅有助于各國政府實現(xiàn)其氣候目標(biāo)，而且還為在艱難的全球氣候環(huán)境下實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇提供了一條潛在途徑，同時保持清潔技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的優(yōu)勢。賦予天然氣管道輸送氫氣的新用途，是實現(xiàn)健全的能源政策、環(huán)境管理和經(jīng)濟(jì)繁榮的現(xiàn)實途徑。

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