文｜能鏈研究院
對于新興產業，核心技術自主可控是高質量發展的基石。
我國氫能產業正處于起步階段，儲運環節是當前制約我國氫能發展的瓶頸之一。
因為氫氣具有低密度、易燃易爆等特點，氫能的安全高效輸送和儲存難度較大，也導致了氫氣儲運環節的成本較高。
儲運上承制氫環節，下接氫能源車等應用環節，安全高效的輸氫技術是氫能大規模商業化發展的前提。
機構普遍預期，僅氫氣儲運環節就有潛力構成一個千億規模市場，在未來終端氫氣售價中的30%將用于儲運成本。
在所有的氫能輸運方案中，管道運輸是最經濟方式，利用現有天然氣管線摻氫和新建純氫管道輸氫對于氫儲運的發展具有重要意義。
4月10日，“西氫東送”輸氫管道示范工程被納入《石油天然氣“全國一張網”建設實施方案》，標志著中國氫氣長距離輸送管道項目正式啟動。
“西氫東送”管道規劃經過內蒙古、河北、北京等三省（市）九個縣區，管道全長400多公里，一期運力10萬噸/年，預留50萬噸/年的遠期提升潛力，是中國首條跨省區、大規模、長距離的純氫輸送管道,可緩解中國綠氫供需錯配的問題。
4月16日，寧夏寧德的天然氣管道（長397公里）長距離輸氫技術獲突破，氫氣比例逐步達到24%，整體運行平穩。
當下，市場對氫能的需求日益旺盛，摻氫技術以及長距離輸氫技術的突破，意味著我國輸氫管道有望開啟市場化推廣。
01、管道是氫氣長距離運輸的最佳路徑
儲運的技術路徑，通常分為氣態儲運、液態儲運以及固態儲運三種方式。
不過，相較于石油、天然氣等傳統化石燃料，氫氣在儲運環節具有天然的劣勢，發展進度緩慢。
學習過中學化學的讀者都清楚，氫是周期表中排名第一的元素，氫氣的質量小，密度低，它的性質非常活躍，既容易泄漏，也容易爆炸。
對于這樣一種氣體，儲運顯然非常麻煩，即使沒有危險發生，也會造成相當程度的成本不經濟。
我們可以通過一個例子簡單理解——運輸一車氫氣，瓶子重量在95%以上，需求的氫氣只有5%，而且不能長距離運輸，所以這是一筆不劃算的生意。
氫氣氣態的經濟運輸半徑局限在200公里以內，50公里以內每公斤氫運輸成本超過4元，100公里運輸成本為超過8元，距離500km時運輸成本達到20.18元/kg。
并且，運輸壓縮氫氣的魚雷車每車僅可運300kg。
毫無疑問，成本和載荷的問題無疑制約了氫氣的長距離運輸，阻礙了氫能產業的發展。
從技術路徑來看，中長距離大規模運輸，主要考慮管道和液氫運輸方式。液態儲運的儲氫密度較大，但設備投資與能耗成本較高，管道運輸無疑是最佳的解決方案。
機構分析，當輸送距離為100公里時，運氫成本為1.43元/千克，同等運輸距離下管道輸氫成本低于高壓長管拖車及低溫液態輸氫。
截止到2022年底我國油氣管道的總里程達到18.5萬公里。以目前我國天然氣消費量計算，當摻氫比達到20%時，可運輸1000多萬噸氫氣，約合5600多億度綠電，氫氣成本也會大幅度下降。
02、管道運輸依靠天然氣摻氫過渡
雖然，管道運輸具有輸氫量大、能耗小和成本低等優勢，但前期管道建設一次性投資成本較大。
長距離運輸的氫氣管道的造價約為63萬美元/km，而天然氣管道的造價約為25萬美元/km，氫氣管道的造價約為天然氣管道的2.5倍。
當前氫氣應用及加氫站尚未大范圍普及，加氫站點較為分散，管道運輸經濟性有限。
另一方面，受氣體性質差異、摻氫比、管道材質和外部環境等影響，氫氣進入管道后容易產生氫脆、滲透和泄漏等風險。
研究表明，氫氣壓力、純凈度、環境溫度、管道強度水平、變形速率、微觀組織等因素均會影響管道的損傷程度。 因此，從成本和技術的角度來看，現階段，大量建設專用氫能運輸管道還不是時機，管道輸氫主要采用天然氣摻氫的方式。
天然氣摻氫就是將一定比例的氫氣注入到天然氣中，形成的一種混合氣體（HCNG），通過天然氣管道將摻氫的天然氣輸送至終端用戶，隨后直接利用、或者將氫氣提純后分別單獨使用。
目前，國際上尚未出臺摻氫天然氣管道輸送系統專用的標準規范，各國天然氣氣體質量規范中可允許的最大摻氫比例也各不相同。如德國天然氣配送系統的摻氫上限為10%，法國為6%，意大利為5%，澳大利亞為4%等。
研究表明，理論上，含20%體積比氫氣的天然氣-氫氣混合燃料可以直接使用目前的天然氣輸運管道，無需任何改造。 在天然氣中摻混20%的氫氣，發動機熱效率可提高15%，經濟性提高8%，污染物排放降低60%～80%。 輸氫管道具備大規模輸送氫氣的潛力，有著成本和效率的明顯優勢。在碳中和的背景下，各國政府將天然氣摻氫項目作為氫能應用場景探索大力推廣，天然氣摻氫的“潮流”已經席卷全球。
03、全球掀起管道運輸規劃浪潮
據統計，全球范圍內氫氣輸送管道已經超過5000km，這些管道主要是由氫氣的生產商來運行。美國輸氫管道總里程已超過2700km，排名第一，歐洲氫氣輸送管道長度也達到1770km。
管道輸氫技術走在最前端的是美國，最高運行壓力到10.3兆帕，主要是位于墨西哥灣沿岸，有1000公里左右的管線。
展望未來，全球輸氫管道已然開始加速。
歐洲于2020年7月提出歐洲氫能主干管網規劃，目前已經擴展到28個國家地區的31家天然氣基礎設施公司。
預計到2030年建成5個泛歐氫氣供應和進口的氫走廊及近28,000公里的輸氫管道，到2040年建立一個約53.000公里的氫氣輸送管道網絡。未來仍將進一步增長。估計總投資達800-1430億歐元。
陸上管道運輸來看，每公斤氫氣每運輸1,000公里的平均運輸成本為0.11-0,21歐元，如果僅通過海底管道運輸氫氣，則每公斤氫氣每運輸1,000公里的平均運輸成本為0.17-0.32歐元。
我國目前的管道長度仍然落后發達國家，建設進度較慢，目前國內總里程僅400公里，在用的管道只有百公里左右。
2022年，國家發改委、國家能源局聯合印發《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》，文件提出要開展摻氫天然氣管道、純氫管道等試點示范。
在政策支持下，氫能管道迎來發展“風口”。近兩年，我國關于輸氫管道建設動作不斷，國內輸氫管道建設加速。
機構預測，隨著管道運力利用率的下降，運輸成本大幅增加，而當運力利用率較高時，運輸成本相對經濟。
如管道運力利用率100%時，運輸距離由50km增加至500km，運輸成本僅從0.8元/kg增加至2.3元/kg，顯著低于氣氫拖車、液氫等上述運輸成本。
在未來氫能全面普及到各領域后，管道輸氫將會成為最具潛力的輸氫方式。
與此同時，氫能管道運輸未來同樣面臨著諸多技術難關。
比如，低成本、高強度的抗氫脆材料，高性能的氫能管道的設計制造技術。核心設備國產化，如大流量的壓縮機，氫氣計量的設備閥門、儀表等。還有就是出臺相應氫能管道的標準體系建立，如設計、建造、運行、維護等各個方面。
在政策背書及市場拉動下，我國管道輸氫技術快速發展。
當前的天然氣摻氫比例一般在2%~20%，20%是實驗室的理論值。而我國寧夏寧德的天然氣管道（長397公里）氫氣比例逐步達到24%，整體運行平穩。
隨著氫能產業的發展，核心關鍵設備國產化進展迅速，國產品牌技術迭代及產品性價比快速提升。
此外，我國管道輸氫相關標準有了一定的突破：
2021年7月，由西南市政總院負責主編的《城鎮民用氫氣輸配系統工程技術規程》編制工作正式啟動。
與此同時，中國標準化協會批復了《氫氣輸送工業管道技術規程》的編制工作，發布了《關于公開征求中國標準化協會標準〈天然氣摻氫混氣站技術規程〉意見的通知》。
隨著技術突破、核心設備國產化替代，國內管道輸氫標準體系的建立，我國管道輸氫產業有望迎來高速發展。
到2030年，氫能產業將成為我國新的經濟增長點和新能源戰略的重要組成部分，輸氫管道建設里程達到3000km。
輸氫管道將幫助我國在可再生能源制氫、氫儲能、氫化工、氫交通、氫冶金等領域的發展步入正軌，將促進氫能產業進一步落地，進行市場化推廣，助力雙碳目標的實現。
參考資料：
[1] 國金證券，《氫儲運短中長期發展推演，氣、液、管道逐步過渡》
[2] PROCESS流程工業，《不同氫氣運輸方式的成本測算，哪種運氫方式是未來發展方向？》
[3] DT新能源，《2022年我國管道輸氫發展如何？》