最新研究：現(xiàn)有的天然氣管道和電器“大多無(wú)法使用”氫氣

一項(xiàng)新的同行評(píng)審研究顯示，現(xiàn)有的化石天然氣基礎(chǔ)設(shè)施，如管道和電器，在沒(méi)有重大投資或運(yùn)營(yíng)變化的情況下，“大多無(wú)法使用”氫氣，這將大大減少向客戶(hù)提供的能源量。

本周一發(fā)表在《能源科學(xué)與工程》雜志上的這項(xiàng)研究題為《使用天然氣系統(tǒng)生產(chǎn)氫氣的挑戰(zhàn)綜述》，研究了在現(xiàn)有的長(zhǎng)距離和分銷(xiāo)管道、儲(chǔ)存和最終用途設(shè)備中使用氫氣的風(fēng)險(xiǎn)和潛在解決方案，并重新審視了因適應(yīng)性差的基礎(chǔ)設(shè)施泄漏氫氣而導(dǎo)致的爆炸、火災(zāi)和窒息風(fēng)險(xiǎn)。

壓力下降

大多數(shù)長(zhǎng)距離天然氣輸送管道，由于其施工中主要使用高強(qiáng)度鋼，因此在氫氣相關(guān)壓裂方面面臨著有據(jù)可查的挑戰(zhàn)，由于保險(xiǎn)公司和監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只能通過(guò)將運(yùn)行壓力降低到甲烷壓力的一半甚至三分之一來(lái)運(yùn)輸100%的氫氣。

報(bào)告作者認(rèn)為，通過(guò)將較低的壓力保持在恒定水平，運(yùn)營(yíng)商可以減少可能加劇氫氣相關(guān)管道破裂的循環(huán)應(yīng)力，但無(wú)論如何，這種應(yīng)力都會(huì)通過(guò)土壤運(yùn)動(dòng)或熱膨脹發(fā)生。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，由于氫氣現(xiàn)有的能量特性（其體積能量密度為甲烷的三分之一）以及壓降導(dǎo)致的能量流速降低，將壓力降低三分之二將使輸送的能量減少到甲烷的九分之一。

報(bào)告認(rèn)為，通過(guò)增加氫氣在管道中的體積流量（即使其流動(dòng)更快）來(lái)克服這一點(diǎn)的任何努力——這只能通過(guò)以相當(dāng)大的成本用更大的機(jī)器替換現(xiàn)有的管道壓縮機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)——都會(huì)導(dǎo)致增加壓力并違反行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而受到阻礙。

該報(bào)告的作者之一、劍橋大學(xué)機(jī)械工程教授David Cebon說(shuō)，這可能意味著該系統(tǒng)需要使用“十倍于甲烷的管道”來(lái)輸送相同數(shù)量的能量。

該研究補(bǔ)充說(shuō)，現(xiàn)有天然氣管道網(wǎng)絡(luò)中使用的壓縮機(jī)也不適合與氫氣一起使用，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ褂门c氫氣不兼容的密封件和閥門(mén)材料制造。

管道襯里

與氫相關(guān)的壓裂的其他解決方案包括用石墨烯等耐氫材料襯里管道內(nèi)部，但考慮到大多數(shù)現(xiàn)有管道都是埋地的，并且由于氫分子可能會(huì)在襯里和管道之間的間隙中積聚，最終可能會(huì)增加泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，因此這在物流上具有挑戰(zhàn)性。

作者認(rèn)為，運(yùn)營(yíng)商也可以嘗試與甲烷混合，但這將不成比例地降低首先使用氫的脫碳效益。

研究發(fā)現(xiàn)，即使是通常由低強(qiáng)度鋼、鑄鐵或高密度聚乙烯（HDPE）制成的氫氣分配管道也存在問(wèn)題。這些材料不太容易發(fā)生與氫相關(guān)的加速斷裂，但仍然可以被氫原子滲透，這意味著它們更有可能泄漏。

氫氣是一種間接溫室氣體，100年內(nèi)的全球變暖潛勢(shì)（GWP）是二氧化碳的12倍，20年內(nèi)是二氧化碳的37倍。

此外，該研究引用的證據(jù)表明，氫氣可以改變HDPE的材料性能，盡管它指出沒(méi)有證據(jù)表明氫氣更有可能使管道變得不安全，但它指出，當(dāng)氫氣滲透時(shí)，彈性材料會(huì)失去抗拉強(qiáng)度，“增加更大泄漏的風(fēng)險(xiǎn)”。

作者補(bǔ)充說(shuō)，將甲烷混合到管道中以抵消這些問(wèn)題，然后將其“分離”出純氫將增加成本并降低輸送的能量含量。

報(bào)告稱(chēng)：“如果不降低壓力（從而大大降低能量流速）或進(jìn)行大量投資，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施大多無(wú)法使用，而這些投資往往依賴(lài)于未經(jīng)證實(shí)的解決方案。”

作者指出，專(zhuān)門(mén)建造的氫氣基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)“運(yùn)行了幾十年”，因?yàn)樗鼈兪怯?ldquo;為氫氣使用而設(shè)計(jì)和制造的”低碳鋼或低強(qiáng)度鋼建造的。

這項(xiàng)研究是在英國(guó)天然氣系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商N(yùn)ational gas贊助的一項(xiàng)為期三年的研究發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)輸100%氫氣或氫氣混合物“沒(méi)有主要障礙”之后不久進(jìn)行的。

與此同時(shí)，德國(guó)政府正在推進(jìn)其30億歐元（33億美元）的計(jì)劃，利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施激勵(lì)9700公里的“核心”氫氣管道網(wǎng)絡(luò)。

終端用氣基礎(chǔ)設(shè)施

將鍋爐或炊具等最終用途的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施重新用于燃燒100%氫氣也充滿(mǎn)了問(wèn)題，報(bào)告指出，泄漏的風(fēng)險(xiǎn)增加，因此爆炸和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)增加——氫氣的燃點(diǎn)較低，火焰溫度較高，加劇了這一風(fēng)險(xiǎn)。

報(bào)告稱(chēng)：“終端設(shè)備需要更換，即便如此，它們?nèi)詫⒚媾R安全和健康挑戰(zhàn)，需要用新的解決方案來(lái)克服。”

雖然鹽穴可以重新用于儲(chǔ)存氫氣而沒(méi)有任何記錄在案的問(wèn)題，但使用枯竭的油氣井會(huì)導(dǎo)致氫氣與周?chē)牡V物質(zhì)相互作用，耗盡儲(chǔ)存的氫氣量，并可能污染氫氣，使其無(wú)法用于燃料電池。

報(bào)告總結(jié)道：“總體而言，雖然將天然氣系統(tǒng)重新用于氫氣可能起初看起來(lái)很有吸引力，但有限的實(shí)用性、風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)據(jù)差距強(qiáng)烈表明，即使克服了主要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)障礙，同類(lèi)氣體替代對(duì)增加的風(fēng)險(xiǎn)也只能帶來(lái)有限的好處。”

該研究的合著者包括獨(dú)立化學(xué)過(guò)程專(zhuān)家Paul Martin、斯特拉斯克萊德大學(xué)Tom Baxter化學(xué)工程高級(jí)講師、氫科學(xué)聯(lián)盟的杰出成員David Cebon以及前環(huán)境保護(hù)基金氣候科學(xué)家Ilissa Ocko。