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                氫能輸送基礎設施綜述

                 更新時間:2024-01-05    點擊量:120

                氫基礎設施是指氫管道運輸、氫生產點(制氫場所)、加氫站(有時也可集群為氫高速公路)等基礎設施,用于氫燃料的配送和銷售。生產氫氣,然后將其壓縮或液化、儲存,然后再轉換成電能或熱能,或用作(工業)工藝過程的輸入。氫氣可用作便攜式(汽車)或固定式能源生產的燃料。與抽水蓄能、CAES(壓縮空氣儲能) 和電池(儲能電池)相比,氫的優勢在于它是一種高能量密度的燃料,可以輸入電網、還可以儲存或轉化為氨然后儲存。然而,氫氣的制取和運輸基礎設施以及正常運作的市場仍處于起步階段。

                氫能產業鏈全景圖

                另外,為了使可再生能源在綠氫為載體的幫助下能夠普遍使用,除了有足夠的綠電和氫氣發電能力外,還需要一個能夠有效可靠地滿足企業和消費者需求的存儲和運輸網絡的基礎設施。

                不管氫氣是如何產生制取的,只要它不是在使用點直接產生的或者生產點直接使用,那它就必須要運輸。為此就有了各種技術路線:例如,高壓氣態、絕熱容器中的液氫、固態儲氫、也可進一步加工成液態甲醇或氨,或使用所謂的“液態有機儲氫體"(LOHC)化學溶解在載體介質中。

                ?關于管道運輸和電力輸送成本對比問題

                一個正在進行的爭論是如何將氫輸送到需求中心,或者換句話說,什么將是能源載體。一種選擇是生產無碳電力,并將其輸送給住宅、商業和工業用戶。然后,電力將直接用于現場生產氫氣。這種方法消除了氫傳輸成本,但代價是電網負擔過重,而電網已經受到因傳輸可再生能源(電力)份額而增加的需求限制。另一種選擇是將氫氣直接輸送給客戶。

                通過管道運輸特別具有經濟性。由于氫氣的高熱值和可壓縮性,可以實現高的能量密度。與功率為1.5 GW的380 KV的雙系統架空輸電線路相比,天然氣管道(PN80,DN1000)在進行天然氣和氫氣輸送時的輸送功率可達(上述電力輸送)其十倍,而具體成本僅為其十四分之一。(輸電和輸(氣)氫的經濟性對比數據)

                ?關于管道運輸以及能量流問題


                目前,世界的純氫輸送中已經有幾條幾百公里長的管道系統在使用?,F有的(天然氣)管道線路是輸送系統中極其寶貴的組成部分,也為在可控的時間內建設氣候中立的氫氣工業體系提供了機會,而且投資很少。由于測量設備、壓縮機和配件的更換相對容易,但更換或建造新的管道將耗資巨大。因為除了技術成本之外,必要的空間規劃和規劃審批程序也非常耗時耗力。


                新建純氫管道在理想的情況下,從最初規劃到投入使用需要3-7 年時間。不過,現有的天然氣網絡的管道路線,包括其通行權和使用權,都是可以獲得的,并可為人們所接受。與人們普遍認為的相反,氫氣的運輸能量密度僅略低于天然氣。因此,從天然氣到氫氣的轉換對管道運輸能源的能力影響不大。盡管天然氣的上限熱值約為 11 kWh/Nm3,比氫氣的上限熱值 3.5 kWh/Nm3 高出約三倍,因此在相同壓力下,要保持能量含量不變,同樣單位時間內所需的氫氣體積約為天然氣的三倍。因此在比較兩種氣體通過管道的能量流時,重要的不僅是體積,最重要的是密度、流速和壓力等參數。由于氫氣的密度是天然氣的1/9,流速是天然氣的 3 倍,因此在相同壓力和相同時間內,管道中可輸送的氫氣量幾乎是天然氣的 3 倍。

                ?關于管道建設以及原有天然氣管道利用的問題

                預計在過渡階段,將氫混合到天然氣網絡和基礎設施中。預計管網將以改造現有天然氣管道進行跨境運輸為基礎。目前,氫氣是通過現有的天然氣管網或對現有天然氣管道進行改造,或通過專用管道輸送的。運輸成本數據表明,與其他運輸方式相比,管道具有明顯的成本優勢,當然這也加強了監管的必要性。

                相關研究和以往的實踐經驗表明,將現有的鋼制管道從天然氣管道轉換為氫氣管道是有可能的,而且可以達到滿足氫氣工業發展所需的程度。高壓管道的使用壽命由于氫氣的影響似乎不可能大幅縮短。

                不過,還需要進一步研究是否必須針對某些類型的鋼材和運行條件調整運行參數。對于接頭和控制閥,還必須確定所使用的膜和密封件是否適用于氫氣。

                對于安全切斷閥和壓力調節器,必須明確其控制和調節功能是否必須適應氫氣的流動特性。在確定管道是否合適之前,應對現有基礎設施的具體條件進行檢查和評估,并參考相關規范和法規。氫氣必須壓縮到管網的工作壓力,才能輸入管網輸送系統。沿線要有一定間隔的壓縮站可確保在管道流量損失的情況下仍能保持壓力。為了在氫氣使用中以高運輸能量密度實現最佳利用,需要比天然氣運行更多和更大功率的壓縮機。對于計劃中的中短期氫氣管道項目,必要的壓縮機技術可以采用 "久經考驗 "的活塞式壓縮機。從長遠來看,在全國范圍內運輸氫氣,運輸需求規模達到GW級別,目前使用的渦輪壓縮機技術路線將根據氫氣這種介質特性進行優化??梢哉J為,如果市場需要,這些壓縮機將在幾年內能投入使用。

                ?關于氫儲能的問題

                風能和光伏等可再生能源的發電受到自然環境條件波動的影響。為了能夠根據需要高效地使用能源,需要大型而靈活的儲能系統來補償和調整這些波動。在可預見的未來,現有電力系統無法以經濟可行的條件提供必要的大工業容量(尤其是通過電網緩沖和電池儲電)。

                另外,氫氣由于其可壓縮性和儲存設施中的儲存能力而非常適合作為能源,并且可以補充到基于儲氣設施的電網。面向可再生能源的氣體基礎設施中儲存設施的運營操作制度與以前的天然氣運營操作會有根本的不同。

                雖然天然氣儲存主要服務于長期供應安全,但在氫操作中,它們主要補償和調整“綠色"發電的短期波動。因此,洞穴儲存設施特別適合儲存氫氣,因為它們可以靈活地儲存和回收使其成為補償和調整可再生能源波動的理想選擇。

                總之,不可否認,天然氣基礎設施的使用可以顯著降低氫氣運輸的總體成本,既可以減少對管道基礎設施的投資,也可以避免對電網擴建的投資。盡管如此,還是需要仔細地逐個評估,以確定競爭方案的技術和經濟可行性,以及從天然氣到氫氣過渡的整個價值鏈的影響。當然綠色氫經濟的成功主要取決于氫氣能否在未來市場條件下以具有競爭力的方式滿足客戶的需求。除了在工業規模上高效生產綠色氫氣的技術發展之外,最重要的是,這需要為氫氣市場提供統一和適當的框架條件。


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