氫能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其標(biāo)準(zhǔn)化

摘 要：本文闡述了氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用等環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展情況，分析了實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)模化應(yīng)用需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在分析氫能領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法提出了氫能標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建建議。強(qiáng)調(diào)在氫能產(chǎn)業(yè)及氫能技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，應(yīng)將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展同建立和發(fā)展氫能標(biāo)準(zhǔn)體系有機(jī)結(jié)合起來(lái)，系統(tǒng)開(kāi)展氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作，以引領(lǐng)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展，促進(jìn)石油工業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：氫能，技術(shù)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.015

0 引 言

氫能是指以氫氣為能量載體，通過(guò)氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量，是一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源。氫能所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其在工業(yè)、交通、發(fā)電以及供熱等多領(lǐng)域可發(fā)揮燃料、原料等用途，是在工業(yè)、交通運(yùn)輸和建筑等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇，是應(yīng)對(duì)氣候變化、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的重要手段，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，而標(biāo)準(zhǔn)是組織生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)的依據(jù)。氫能產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)各個(gè)領(lǐng)域均急需標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支持，同時(shí)亦需要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮引領(lǐng)作用。

1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈及氫能分類

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制取、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用等。氫氣制備是氫能應(yīng)用的基礎(chǔ)，氫氣的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸是氫能應(yīng)用的關(guān)鍵，氫氣的經(jīng)濟(jì)有效利用是氫能產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)和價(jià)值體現(xiàn)[1]。

氫能按制取過(guò)程及碳排放可分為：灰氫、藍(lán)氫和綠氫?；覛渲覆捎没剂现迫〉臍錃?，制氫過(guò)程中有大量的碳排放，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。藍(lán)氫指采用化石燃料制取，并在制備過(guò)程中采用碳捕集、利用及封存技術(shù)（CCUS）的氫氣。綠氫指采用可再生能源或核能通過(guò)電解制取的氫氣，制氫過(guò)程無(wú)碳排放。

目前，全球氫能主要以灰氫為主，占比達(dá)66%；其次為藍(lán)氫，占比為15%；綠氫僅占全球氫氣產(chǎn)量的4%左右[2]。隨著深度脫碳的需求增加和氫能成本經(jīng)濟(jì)性的提升，制氫結(jié)構(gòu)將從以化石能源制氫為主逐步過(guò)渡到以非化石燃料發(fā)電進(jìn)行電解水制氫為主的低碳制氫方式[3-4]，即從灰氫到藍(lán)氫到綠氫的漸進(jìn)發(fā)展。

2 制 氫

2.1 制氫技術(shù)

目前工業(yè)上制氫的方式有煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、副產(chǎn)氣（焦?fàn)t煤氣、氯堿等）制氫、電解水制氫等[5-6]。

我國(guó)目前年制氫產(chǎn)量約330 0萬(wàn)t，居全球第一位。其中，煤制氫產(chǎn)能約1000萬(wàn)t/a；其次是工業(yè)副產(chǎn)氫，約800萬(wàn)t/a；天然氣制氫占10%；電解水制氫僅占4%。中國(guó)石化是國(guó)內(nèi)最大的氫氣生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)氫氣約390萬(wàn)t。

2.2 化石燃料耦合 CCUS 制氫

化石燃料制氫耦合CCUS是發(fā)展低碳制氫的重要且有效的技術(shù)路線。化石燃料制氫會(huì)伴隨產(chǎn)生大量的CO2，以化石燃料耦合CCUS，可將生產(chǎn)過(guò)程中排放的碳捕集封存起來(lái)，并加以利用，從而有效減少碳排放量[4]。

目前正在運(yùn)營(yíng)的美國(guó)A i r P r o d u c t s S t e a mMethane Reformer CCUS項(xiàng)目和加拿大Quest CCUS項(xiàng)目已應(yīng)用于制氫項(xiàng)目，CO2捕集規(guī)模均達(dá)到100萬(wàn)t/a。在建的低碳制氫耦合CCUS項(xiàng)目有：加拿大的Alberta Carbon Trunk Line with North West SturgeonRefinery CO2 Stream，英國(guó)的Northern GasNetworkH21、Hynet North West，以及愛(ài)爾蘭的Ervia CorkCCS 等項(xiàng)目，其捕集CO2規(guī)模分別為120～140萬(wàn) t/a、200萬(wàn) t/a、200萬(wàn) t/a、250萬(wàn) t/a。

2004年華能集團(tuán)提出以煤氣化制氫、氫能發(fā)電為主，并對(duì)CO2進(jìn)行分離及處理的“綠色煤電”計(jì)劃，計(jì)劃建成“綠色煤電”示范工程。華能天津IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）示范電站于2013年5月建成。

2.3 不同技術(shù)路線制氫的對(duì)比

我國(guó)不同技術(shù)路線制氫的特點(diǎn)及碳排放量等的對(duì)比見(jiàn)表1[2，4，7]。

3 儲(chǔ)氫技術(shù)及加氫站

3.1 儲(chǔ)氫技術(shù)

幾種儲(chǔ)氫技術(shù)的對(duì)比如表2所示[7-8]。可見(jiàn)，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前應(yīng)用較為廣泛且發(fā)展較為成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)。

3.2 加氫站

最早的氫氣加注站始于1 9 8 0 年代美國(guó)L o s?Alamos的加氫站。全球加氫站數(shù)量自2016年以來(lái)呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，截至2021年底，全球在營(yíng)加氫站659座。從2021年全球加氫站分布情況來(lái)看，亞洲加氫站數(shù)量占比達(dá)到52.99%，歐洲與北美地區(qū)加氫站數(shù)量占比分別為33.28%與12.55%，其他國(guó)家或地區(qū)占比1.17%。

截至2023年4月，我國(guó)已建成加氫站超過(guò)350座，約占全球總數(shù)的40%，位居世界第一位。隨著加氫站技術(shù)的成熟，全球加快了加氫站的布局，現(xiàn)階段歐美、日韓是主力，中國(guó)是增長(zhǎng)最快的國(guó)家[8]。

4 輸 氫

4.1 不同輸氫方式對(duì)比

目前，氫氣的運(yùn)輸方式主要有集裝格、長(zhǎng)管拖車、管道、槽車等，現(xiàn)有輸送方式的特點(diǎn)如表3所示。在長(zhǎng)距離輸氫中，管道輸送具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，相關(guān)各方正致力于推進(jìn)輸氫管道的建設(shè)。同時(shí)，天然氣管道摻氫亦成為研究的熱點(diǎn)[9]。

4.2 輸氫管道

全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程已超5000 km。美國(guó)和歐洲的輸氫管道建設(shè)早、里程長(zhǎng)，美國(guó)超過(guò)2720 km，歐洲超過(guò)1500 km。氫氣管道的輸送壓力主要在1～10 MPa之間，管徑多在150～457 mm之間，L245鋼級(jí)管道占比約20%，L290（X42）、L360（X52）鋼級(jí)管道占比約60%，管型為無(wú)縫鋼管或電阻焊管。

我國(guó)的輸氫管道建設(shè)尚處于起步階段。國(guó)內(nèi)已建成和正在建設(shè)的輸氫管道有：濟(jì)源-洛陽(yáng)輸氫管道、巴陵-長(zhǎng)嶺輸送管線工程、金陵-揚(yáng)子氫氣管道、定州-高碑店氫氣管道工程、玉門(mén)油田輸氫管道、浙江石化輸氫管道（在建）等，管徑在219～508mm之間，鋼級(jí)多為L(zhǎng)245，個(gè)別為X42，輸送壓力在2.5～6 MPa之間，長(zhǎng)度在4.7～164.7 km之間。

2023年4月中國(guó)石化“西氫東送”輸氫管道示范工程啟動(dòng)，并被納入《石油天然氣“全國(guó)一張網(wǎng)”建設(shè)實(shí)施方案》。該管道全長(zhǎng)400多公里，是我國(guó)首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長(zhǎng)距離純氫輸送管道。管道一期運(yùn)力10萬(wàn)噸/年。

4.3 摻氫管道

歐美等多個(gè)國(guó)家開(kāi)展了摻氫天然氣管道輸送的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，以及天然氣管道摻氫示范項(xiàng)目，摻氫比例從2%到20%。截止2019年初，國(guó)際能源組織（IEA）數(shù)據(jù)顯示，各國(guó)有37個(gè)示范項(xiàng)目正在研究天然氣網(wǎng)絡(luò)中摻氫。國(guó)外部分摻氫管道項(xiàng)目情況如表4所示。

國(guó)內(nèi)已建成的摻氫管道有：烏海-銀川焦?fàn)t煤氣管道、義馬-鄭州煤氣管線工程、國(guó)家電投朝陽(yáng)可再生能源摻氫示范項(xiàng)目、張家口天然氣摻氫示范項(xiàng)目、內(nèi)蒙古通遼隆圣峰規(guī)劃建設(shè)示范工程—甘旗卡綜合站至創(chuàng)業(yè)路純摻氫管道等，輸送壓力多為2.5 MPa。

2023年4月16日，中國(guó)石油用現(xiàn)有天然氣管道長(zhǎng)距離輸送氫氣技術(shù)獲得突破，寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺(tái)在現(xiàn)有長(zhǎng)397 km的天然氣管道中的摻氫比例已逐步達(dá)到24%。

5 氫能應(yīng)用技術(shù)

氫氣兼具燃料、儲(chǔ)能、化工原料等多種屬性，在電力、交通、建筑、化工等多個(gè)行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用空間[10-12]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前約 90%～95% 的氫能應(yīng)用于石油化工、鋼鐵冶金[13]，且以就近消納為主。國(guó)內(nèi)外對(duì)于綠色氫能應(yīng)用技術(shù)的理論探索與實(shí)踐主要聚焦于儲(chǔ)能、工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域。其中，氫燃料電池汽車是氫能應(yīng)用最受關(guān)注的領(lǐng)域，在部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模示范應(yīng)用。

我國(guó)是世界上氫能產(chǎn)量最大的國(guó)家，同時(shí)具有世界上最完整的產(chǎn)業(yè)鏈和最大的消費(fèi)市場(chǎng)，部分技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平，在氫能裝備生產(chǎn)制造上具備一定的優(yōu)勢(shì)[14]。但要實(shí)現(xiàn)氫能規(guī)?；瘧?yīng)用，還面臨很多問(wèn)題，主要有：（1）氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本高、效率低，終端消費(fèi)成本高，相比傳統(tǒng)能源尚未形成商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)力。（2）氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)成熟度不高，部分基礎(chǔ)材料、核心技術(shù)或關(guān)鍵部件中的高端產(chǎn)品多為國(guó)外企業(yè)壟斷，如兆瓦級(jí)電解制氫裝備、儲(chǔ)氫瓶組、膜電極、氫循環(huán)泵、氫氣品質(zhì)檢測(cè)、氫氣泄漏測(cè)試等[14]。（3）可再生能源電解制氫技術(shù)尚處于研發(fā)階段，大規(guī)模氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)不成熟，配套設(shè)施不完善。（4）安全性及管理體系有待完善。

6 氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

6.1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化工作現(xiàn)狀

（1）國(guó)外

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和發(fā)達(dá)國(guó)家已制定和發(fā)布了多項(xiàng)與氫能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織設(shè)立了專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，即：氫技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC 197），涵蓋氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、測(cè)量和使用的系統(tǒng)和設(shè)備領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。該技術(shù)委員會(huì)于1990年創(chuàng)立，目前設(shè)有1個(gè)SC、1個(gè)特別工作組、1個(gè)聯(lián)合工作組、1個(gè)技術(shù)咨詢委員會(huì)、17個(gè)WG。已發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)18項(xiàng)，24項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)正在制修訂。

國(guó)外發(fā)布了輸氫管道的相關(guān)設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)最早于20 08年發(fā)布了輸氫管道標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.12“Hydrogen Piping and?Pipelines”、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)發(fā)布了EIGA IGC Doc121/14“Hydrogen Pipeline Systems”、亞洲壓縮氣體協(xié)會(huì)發(fā)布了CGA-5.6“Hydrogen Pipeline System”等。

天然氣摻氫標(biāo)準(zhǔn)的研究工作正在推進(jìn)。歐洲的HyReady和HIPS-Net等技術(shù)委員會(huì)和行業(yè)組織正在研究摻氫的標(biāo)準(zhǔn)，歐盟委員會(huì)也正在研究氫在天然氣網(wǎng)絡(luò)中的作用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）國(guó)內(nèi)

在國(guó)家相關(guān)政策的支持下，近些年來(lái)我國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)有了較大發(fā)展。經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)，“全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)SAC/TC 309”于2008年6月正式成立，目前已發(fā)布國(guó)標(biāo)34項(xiàng)，正在制訂國(guó)標(biāo)10項(xiàng)。此外，與氫能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還有：GB 50177—2005《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50516—2010（2021年版）《加氫站技術(shù)規(guī)范》、GB4962—2008《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》等。

國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)正在積極研究制定輸氫/摻氫輸送管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司牽頭起草的石油天然氣行標(biāo)《天然氣摻氫輸送管材適用性評(píng)價(jià)方法》正在廣泛征求意見(jiàn)，牽頭起草的中國(guó)石油集團(tuán)有限公司企標(biāo)《氫氣輸送管道工程用無(wú)縫鋼管》亦正在開(kāi)展立項(xiàng)工作。

6.2 氫能標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

當(dāng)前，在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段，為適應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求、推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需在系統(tǒng)梳理現(xiàn)有氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、明確氫能產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域和標(biāo)準(zhǔn)需求的基礎(chǔ)上，建立氫能標(biāo)準(zhǔn)體系并系統(tǒng)開(kāi)展氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作，以引領(lǐng)和促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展。

在構(gòu)建氫能標(biāo)準(zhǔn)體系時(shí)，應(yīng)運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法，針對(duì)氫能標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象及其相關(guān)要素所形成的系統(tǒng)進(jìn)行整體標(biāo)準(zhǔn)化研究，按照立足國(guó)情、統(tǒng)籌規(guī)劃、需求牽引、急用先行的原則，加強(qiáng)基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵核心標(biāo)準(zhǔn)的制修訂。根據(jù)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的特點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化需求，建議氫能標(biāo)準(zhǔn)體系框架應(yīng)包括基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。其中，基礎(chǔ)通用標(biāo)準(zhǔn)位于標(biāo)準(zhǔn)體系框架的最底層，對(duì)各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)和管理標(biāo)準(zhǔn)形成支撐；各環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)和管理標(biāo)準(zhǔn)是氫能標(biāo)準(zhǔn)體系框架的主體，用于指導(dǎo)各個(gè)環(huán)節(jié)的氫能產(chǎn)業(yè)。

7 結(jié) 語(yǔ)

在應(yīng)對(duì)氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、保障能源安全的全球背景下，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、推動(dòng)能源革命、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)低碳轉(zhuǎn)型等的必由之路。在大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的過(guò)程中，迫切需要對(duì)相關(guān)核心技術(shù)、關(guān)鍵材料產(chǎn)品等進(jìn)行研究攻關(guān)，加大可再生能源的開(kāi)發(fā)利用，降低氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本；與此同時(shí)，應(yīng)將氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同構(gòu)建和發(fā)展氫能標(biāo)準(zhǔn)體系緊密結(jié)合，加快配套標(biāo)準(zhǔn)的研制及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，相信氫能產(chǎn)業(yè)定能在能源及相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)辟新天地。

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作者簡(jiǎn)介

熊慶人，通信作者，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事石油管材及相關(guān)領(lǐng)域的材料性能與應(yīng)用研究以及標(biāo)準(zhǔn)化研究等工作。

（責(zé)任編輯：袁文靜）