氫氣具有原料、燃料雙重屬性，來(lái)源豐富、用途廣泛。在碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)引領(lǐng)下，我國(guó)能源生產(chǎn)消費(fèi)方式逐漸轉(zhuǎn)向綠色低碳，將推動(dòng)氫能供應(yīng)體系逐步以綠氫為基礎(chǔ)進(jìn)行重塑。綠氫作為新能源供給消納體系的重要組成部分，進(jìn)一步加強(qiáng)供應(yīng)體系建設(shè)將有助于能源生產(chǎn)消費(fèi)方式變革。
中國(guó)工程院鄭津洋院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第6期發(fā)表《我國(guó)綠氫供應(yīng)體系建設(shè)思考與建議》一文。文章在闡述綠氫供應(yīng)體系建設(shè)必要性的基礎(chǔ)上，剖析了綠氫供應(yīng)體系建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，如綠氫資源與需求空間分布不匹配、綠氫生產(chǎn)與消費(fèi)時(shí)間特性不匹配、現(xiàn)有體制機(jī)制及標(biāo)準(zhǔn)與綠氫供應(yīng)體系不匹配;凝練了強(qiáng)化氫儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究、加快氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)裝備攻關(guān)、提升氫儲(chǔ)運(yùn)裝備安全檢測(cè)技術(shù)水平等重點(diǎn)研究方向，力求以氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的高質(zhì)量發(fā)展支撐綠氫供應(yīng)體系建設(shè)。文章研究提出，采用氫電融合發(fā)展的系統(tǒng)性思維，統(tǒng)籌構(gòu)建我國(guó)綠氫供應(yīng)體系;氫儲(chǔ)運(yùn)是連接上游電解水制氫、下游氫消納應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在調(diào)節(jié)綠氫供需時(shí)空錯(cuò)配、實(shí)現(xiàn)綠氫靈活供應(yīng)方面發(fā)揮重要作用。文章建議，注重頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)籌規(guī)劃布局，建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施、化解時(shí)空錯(cuò)配矛盾，開展試點(diǎn)示范、驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，完善體制機(jī)制、營(yíng)造發(fā)展環(huán)境，以此促進(jìn)綠氫供應(yīng)體系高質(zhì)量建設(shè)。
一、前言
在碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)引領(lǐng)下，能源生產(chǎn)消費(fèi)體系綠色低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程加速。氫氣具有原料、燃料雙重屬性，來(lái)源豐富、用途廣泛?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》明確了氫的能源屬性，將氫能確定為用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。工業(yè)、交通等終端用能領(lǐng)域在能源消費(fèi)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，對(duì)氫能的需求將會(huì)顯著增長(zhǎng)。
氫氣制取技術(shù)路線主要有 4 種：基于煤炭、天然氣的化石能源制氫;基于焦?fàn)t煤氣、氯堿尾氣等工業(yè)副產(chǎn)氣分離提純制氫;基于新能源、可再生能源的電解水制氫;新型制氫技術(shù)，如太陽(yáng)能光解水制氫、熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫等。利用可再生能源生產(chǎn)的綠氫可規(guī)模性地替代化石能源制氫，將有效降低能源生產(chǎn)消費(fèi)伴生的碳排放。近年來(lái)，能源行業(yè)積極探索綠氫應(yīng)用，包括新能源電解水制氫、制氫 / 加氫一體站、燃料電池?zé)犭娐?lián)供綜合能源系統(tǒng)等在內(nèi)的氫能示范工程項(xiàng)目正在實(shí)施;新型高效電解催化劑、燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)優(yōu)化等成為技術(shù)研究熱點(diǎn)。也要注意到，現(xiàn)有的綠氫大規(guī)模推廣應(yīng)用研究多著眼于氫氣制取、氫能利用等單一環(huán)節(jié)，忽略了系統(tǒng)化綠氫供應(yīng)體系建設(shè)短板對(duì)綠氫替代的掣肘。
本文從綠氫供應(yīng)體系建設(shè)的角度出發(fā)，闡述發(fā)展必要性，剖析面臨的挑戰(zhàn);在辨識(shí)氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)重點(diǎn)研究方向的基礎(chǔ)上提出針對(duì)性發(fā)展建議，以期為推進(jìn)綠氫供應(yīng)體系建設(shè)提供技術(shù)參照和管理啟示。值得說(shuō)明的是，在綠氫作為新生力量加入能源行業(yè)的發(fā)展初期，有必要統(tǒng)籌規(guī)劃氫能生產(chǎn)供應(yīng)體系，促進(jìn)綠氫加快融入新型能源體系，支撐國(guó)家構(gòu)建新發(fā)展格局。
二、綠氫供應(yīng)體系建設(shè)的發(fā)展態(tài)勢(shì)與價(jià)值
(一)氫能供應(yīng)體系將逐步以綠氫為基礎(chǔ)進(jìn)行重塑
2020年，我國(guó)氫氣產(chǎn)能約為4.1×107 t，產(chǎn)量約為3.342×107 t，其中化石能源制氫占比為78%，工業(yè)副產(chǎn)氫占比為21%，而綠氫在氫能供應(yīng)結(jié)構(gòu)中占比可以忽略(電解水制氫占比僅為1%)。在消費(fèi)側(cè)，氫氣主要作為原料用于化工(如合成甲醇、合成氨)、煉油等工業(yè)領(lǐng)域(見(jiàn)圖1)。
著眼中長(zhǎng)期，預(yù)計(jì)2060年我國(guó)氫氣需求量超過(guò)1×108 t，氫能占終端能源消費(fèi)的比重約為20%，主要作為原料、燃料應(yīng)用于工業(yè)和交通領(lǐng)域(分別占需求總量的60%、30%，見(jiàn)圖1)。在碳中和情景下，若基于目前以化石能源制氫為主體的氫能供應(yīng)體系，氫氣生產(chǎn)的碳排放量預(yù)計(jì)為1×109 t/a，遠(yuǎn)高于碳匯所能中和的碳排放量。因此，在推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的過(guò)程中，氫能供應(yīng)體系需逐步以綠氫為基礎(chǔ)進(jìn)行重塑，輔以加裝碳捕集裝置的化石能源制氫方式，才能改變氫能生產(chǎn)側(cè)的高碳格局。預(yù)計(jì)在碳中和情景下，氫能生產(chǎn)側(cè)的綠氫產(chǎn)量為1×108 t/a，在全部氫能中的占比超過(guò)80%。綠氫生產(chǎn)總量和占比均逐步提升，在推動(dòng)氫能供應(yīng)體系變革的同時(shí)，為氫能在能源電力轉(zhuǎn)型中發(fā)揮更大價(jià)值創(chuàng)造了條件。
圖1 我國(guó)氫氣生產(chǎn)與消費(fèi)的現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)值
(二)綠氫將是新能源供給消納體系的重要組成部分
根據(jù)我國(guó)當(dāng)前的風(fēng)能、太陽(yáng)能資源稟賦進(jìn)行測(cè)算，風(fēng)電、光伏發(fā)電的技術(shù)可開發(fā)規(guī)模超過(guò)1.3×1010 kW。綜合考慮氫能供應(yīng)體系低碳化、技術(shù)成熟度、與現(xiàn)代能源體系契合度等因素可以認(rèn)為，采用風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源的電力進(jìn)行電解水制氫，是最有可能規(guī)?；l(fā)展的綠氫制備途徑，將逐步成為氫能供應(yīng)的主要來(lái)源。
以2060年綠氫需求量計(jì)算，新能源發(fā)電裝機(jī)容量、發(fā)電量分別超過(guò)2×109 kW、5×1012kW·h，在總發(fā)電裝機(jī)容量、發(fā)電量中的占比分別超過(guò)25%、20%。而根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，有色金屬冶煉是我國(guó)目前用電量占比最高的行業(yè)，2021年占全社會(huì)用電量的比重僅為8.4%。因此，在碳中和情景下，綠電制氫很可能超越金屬冶煉等高耗能工業(yè)，成為新型電力系統(tǒng)中最大的單一用電負(fù)荷。
在中長(zhǎng)期開展大規(guī)模綠電制氫，將綠氫作為新能源電力的重要轉(zhuǎn)換形式，推動(dòng)氫電融合并實(shí)現(xiàn)綠電和綠氫的靈活高效轉(zhuǎn)化，主要有三方面價(jià)值。
① 發(fā)揮氫能連接新能源、終端用能的耦合作用，將新能源電力轉(zhuǎn)化為物質(zhì)形態(tài)，豐富新能源消納途徑;促進(jìn)更高比例的新能源應(yīng)用，滿足下游大規(guī)模用氫需求，減少交通等領(lǐng)域?qū)τ蜌獾男枨?，降低油氣?duì)外依存度。
② 發(fā)揮氫能長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，解決新能源出力和負(fù)荷需求存在的長(zhǎng)周期、季節(jié)性電量不匹配問(wèn)題;通過(guò)氫能發(fā)電為電網(wǎng)提供容量支撐，提升新型電力系統(tǒng)的韌性，改善綠色電力安全可靠供應(yīng)水平。
③ 綠電制氫過(guò)程中產(chǎn)生的綠氧，可滿足冶金、化工、機(jī)械制造等行業(yè)的用氧需求。
三、我國(guó)綠氫供應(yīng)體系建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)分析
(一)綠氫資源與需求的空間分布不匹配
整體來(lái)看，用于制備綠氫的新能源資源、綠氫消費(fèi)需求呈現(xiàn)逆向分布的基本特征。在綠氫生產(chǎn)側(cè)，大型風(fēng)光電基地集中在西北和北部地區(qū)的內(nèi)蒙古、甘肅、青海、新疆、陜西等省份，海上風(fēng)電基地主要分布在東南沿海地區(qū)。在綠氫消費(fèi)側(cè)，關(guān)于化工用氫分布，現(xiàn)代煤化工基地規(guī)劃布局呈現(xiàn)近煤炭資源的區(qū)位特征，以西北能源“金三角”地區(qū)為核心、新疆和山西等省份為補(bǔ)充;石油化工規(guī)劃布局以七大石化產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)為重點(diǎn)，全部位于在東部沿海地區(qū)。根據(jù)各省份“十四五”氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，交通領(lǐng)域氫能應(yīng)用布局以北京、上海、廣東、河南、河北五大燃料電池汽車示范應(yīng)用城市群(以及“以點(diǎn)帶面”拓展形成的產(chǎn)業(yè)區(qū)域)為主，同樣集中在中東部地區(qū)。
以氫電融合的形式，統(tǒng)籌規(guī)模化輸電和輸氫網(wǎng)絡(luò)布局，是破解新能源資源、用氫負(fù)荷需求空間錯(cuò)配的關(guān)鍵舉措。考慮終端用氫形式，在局部輸氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的基礎(chǔ)上，與特高壓輸電結(jié)合，共同構(gòu)建氫電供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)體系;積極利用西北地區(qū)的風(fēng)光資源，發(fā)揮大電源、大電網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)綠氫供需在空間上的綠色集約、互聯(lián)互通。
面向“十四五”時(shí)期及中長(zhǎng)期，西北地區(qū)大型風(fēng)光電基地的新能源將主要通過(guò)特高壓輸電實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離外送中東部地區(qū)消納;全國(guó)大電源、大電網(wǎng)結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步優(yōu)化和補(bǔ)強(qiáng)，制氫所需電量可部分采用輸電方式傳輸至中東部地區(qū)的負(fù)荷中心，實(shí)現(xiàn)就地制氫、就地消納。此外，西北地區(qū)水資源相對(duì)匱乏，大型風(fēng)光電基地集中的內(nèi)蒙古、甘肅、青海、新疆、陜西等省份的水資源總量不到全國(guó)的10%，采用大規(guī)模輸電方式不會(huì)因集中式制氫而加重當(dāng)?shù)氐娜彼畣?wèn)題。需要指出的是，截至2021年已投運(yùn)的32個(gè)特高壓工程，跨省跨區(qū)年輸送電量約為2.4×1012 kW·h;若碳中和情景下制氫所需的5×1012 kW·h電量全部采用輸電方式傳輸，則特高壓輸電線路需成倍增加;鑒于當(dāng)前特高壓工程站址、線路走廊趨于緊張的現(xiàn)狀，采用大規(guī)模輸電方式需結(jié)合特高壓網(wǎng)架規(guī)劃及線路的外送能力實(shí)施。
當(dāng)受端是規(guī)模化穩(wěn)定用氫需求，而送端具備大規(guī)模綠電制氫的新能源資源及水資源等條件時(shí)，可在異地制取綠氫后通過(guò)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”、規(guī)模化純氫或摻氫運(yùn)輸?shù)较掠斡脷洵h(huán)節(jié)。純氫輸送適合大規(guī)模穩(wěn)定用氫、對(duì)氫氣純度要求較高的工業(yè)用戶，純氫輸送管道本身具備一定的儲(chǔ)氫功能，但當(dāng)前的純氫輸送成本相對(duì)較高。天然氣摻氫利用經(jīng)適當(dāng)改造的已有天然氣管道輸送，結(jié)合中長(zhǎng)期天然氣管網(wǎng)規(guī)劃布局實(shí)施，更適合下游可直接采用摻氫天然氣的用戶。
(二)綠氫生產(chǎn)與消費(fèi)的時(shí)間特性不匹配
新能源資源波動(dòng)性對(duì)制氫波動(dòng)性的傳導(dǎo)、下游連續(xù)穩(wěn)定用氫需求，二者存在時(shí)間錯(cuò)配問(wèn)題。不同種類制氫設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)有差別，如堿性電解水制氫裝置的負(fù)載上限可達(dá)120%，質(zhì)子交換膜電解水制氫裝置的負(fù)載區(qū)間為20%~150%。在上游制氫端，制氫設(shè)備為了適應(yīng)新能源發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，僅從綠氫生產(chǎn)側(cè)出發(fā)難以保證規(guī)模化、連續(xù)穩(wěn)定的氫能供應(yīng)。在下游用氫端，化工、交通等重點(diǎn)領(lǐng)域在中長(zhǎng)期逐步實(shí)現(xiàn)綠氫替代后，應(yīng)用場(chǎng)景需要?dú)淠艿倪B續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。例如，對(duì)于煤化工領(lǐng)域3×105 t/a合成氨項(xiàng)目，設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間一般在7000 h以上，從運(yùn)行安全、設(shè)備壽命、經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，需要?dú)淠芄?yīng)滿足不間斷生產(chǎn)的要求;在交通領(lǐng)域，重點(diǎn)城市群的燃料電池汽車規(guī)?；l(fā)展后，同樣需要依托加氫站建設(shè)可靠的供氫網(wǎng)絡(luò)，保證氫氣的連續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。此外，隨著氫能在發(fā)電、供暖等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，氫氣需求將受到季節(jié)用能峰谷特性的影響。
為了調(diào)節(jié)綠氫供需的時(shí)間錯(cuò)配，需統(tǒng)籌規(guī)劃儲(chǔ)氫基礎(chǔ)設(shè)施，將之作為連接上游新能源波動(dòng)性發(fā)電制氫、下游連續(xù)穩(wěn)定用氫需求之間的緩沖器;在新能源發(fā)電的高峰時(shí)段，用余電制氫以充分發(fā)揮氫能的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)上游制氫、下游用氫的解耦。值得指出的是，相比于電儲(chǔ)能，氫儲(chǔ)能可將上游新能源資源轉(zhuǎn)化為氫能進(jìn)行存儲(chǔ)，釋能階段輸出的二次能源品種更為靈活，更有利于支撐終端用能的多元化穩(wěn)定用氫：直接對(duì)下游的化工和交通用戶進(jìn)行規(guī)模化、連續(xù)穩(wěn)定供氫，或與電儲(chǔ)能一樣將氫能再轉(zhuǎn)化為電能輸出，甚至基于氫能供熱或熱電聯(lián)產(chǎn)來(lái)滿足下游用戶供暖需求;將棄風(fēng)棄光轉(zhuǎn)化為氫能并進(jìn)行跨季節(jié)存儲(chǔ)，在降低制氫成本的同時(shí)，增強(qiáng)新能源供給適應(yīng)下游用能需求季節(jié)性波動(dòng)的能力。
(三)現(xiàn)有體制機(jī)制及標(biāo)準(zhǔn)與綠氫供應(yīng)體系不匹配
現(xiàn)階段的氫能供應(yīng)以化石能源制氫為主，將氫氣作為原料就地應(yīng)用于化工、煉油行業(yè)，氫氣按易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品進(jìn)行管控。雖然《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》明確了氫能在能源體系中的定位，但將氫氣作為能源產(chǎn)品，針對(duì)可再生能源電解水制氫、規(guī)模化氫儲(chǔ)運(yùn)等的產(chǎn)業(yè)垂直管理與安全監(jiān)管體系有待建設(shè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、安全管理等方面的主管機(jī)構(gòu)沒(méi)有明確歸口，跨部門協(xié)調(diào)、跨領(lǐng)域協(xié)作機(jī)制亟待完善。隨著綠氫供應(yīng)全產(chǎn)業(yè)鏈、各環(huán)節(jié)逐步從試點(diǎn)示范轉(zhuǎn)入推廣應(yīng)用，有關(guān)體制機(jī)制與產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際不匹配的短板逐步顯現(xiàn)。
現(xiàn)行的氫能標(biāo)準(zhǔn)體系主要針對(duì)燃料電池和交通領(lǐng)域應(yīng)用，綠氫供應(yīng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定滯后于行業(yè)發(fā)展，缺乏工程數(shù)據(jù)和實(shí)踐案例支撐，不協(xié)調(diào)、不配套的現(xiàn)象較為突出。目前，在綠氫供應(yīng)中的制氫、氫儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)，統(tǒng)一的技術(shù)導(dǎo)則、行業(yè)約束標(biāo)準(zhǔn)缺失，而不同企業(yè)的電解水制氫、電氫系統(tǒng)集成、管道輸氫等項(xiàng)目差異性較大(如設(shè)計(jì)技術(shù)水平、性能指標(biāo)、項(xiàng)目驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)、服務(wù)條款)，對(duì)比基準(zhǔn)不統(tǒng)一等問(wèn)題嚴(yán)重，制約了行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。需要說(shuō)明的是，綠氫供應(yīng)體系涉及電能和氫能的接口與耦合，不同于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系中按照產(chǎn)業(yè)鏈條進(jìn)行劃分的模式;需基于氫氣的能源屬性，系統(tǒng)研究氫電融合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系框架，以此保障綠氫供應(yīng)體系建設(shè)需求，切實(shí)發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用。
四、以氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)的高質(zhì)量發(fā)展支撐綠氫供應(yīng)體系建設(shè)
綠氫供應(yīng)體系建設(shè)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：規(guī)模化、高效率電解水制氫技術(shù)，氫電耦合智能調(diào)控技術(shù)，高安全性、低成本、大規(guī)模的氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。電解水制氫技術(shù)在我國(guó)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)界關(guān)注度高，國(guó)產(chǎn)堿性電解槽單機(jī)制氫量超過(guò)1000 m3/h并實(shí)現(xiàn)出口，未來(lái)研究圍繞提高電流密度、降低直流電耗以增強(qiáng)制氫能力等方面展開;電解槽優(yōu)化與氫電融合智能調(diào)控策略的聯(lián)合攻關(guān)，也是領(lǐng)域技術(shù)的研究重點(diǎn)。
氫儲(chǔ)運(yùn)承擔(dān)著連接上游電解水制氫、下游消納用氫的關(guān)鍵角色，是調(diào)節(jié)綠氫供需時(shí)空錯(cuò)配、提升綠氫靈活供應(yīng)水平的重要保障;相應(yīng)發(fā)展事關(guān)氫儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)安全、儲(chǔ)運(yùn)成本降低，成為提升綠氫供應(yīng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核心環(huán)節(jié)。大規(guī)模氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)研究在我國(guó)起步較晚，技術(shù)儲(chǔ)備、示范應(yīng)用較為薄弱，運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累偏少，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系不健全;雖然我國(guó)氫氣產(chǎn)量居世界首位，但氫氣用戶集中在石油、化工等傳統(tǒng)領(lǐng)域，氫氣生產(chǎn)和消耗在區(qū)位上通常相鄰，不涉及大規(guī)模、長(zhǎng)距離輸送問(wèn)題。因此，氫儲(chǔ)運(yùn)是我國(guó)氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的短板和弱項(xiàng)，成為氫電融合發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn);加快氫儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)裝備的研制和產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)綠氫應(yīng)用成本降低并推動(dòng)綠氫產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，以此支撐綠氫供應(yīng)體系建設(shè)。
(一)強(qiáng)化氫儲(chǔ)運(yùn)關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究
氫氣的質(zhì)量能量密度高(約120 MJ/kg)，但標(biāo)況下的體積能量密度低(約10.8 MJ/m3)，降低溫度、提高壓力是實(shí)現(xiàn)氫能高效儲(chǔ)運(yùn)的主要方式。氫儲(chǔ)運(yùn)分為高壓氣氫、深冷液氫、固態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液體儲(chǔ)氫、液氨、甲醇等形式。
長(zhǎng)期在深冷、高壓、臨氫條件下運(yùn)行的氫儲(chǔ)運(yùn)裝備，其服役性能、損傷及劣化規(guī)律相比與常規(guī)氣體儲(chǔ)存裝備差異明顯。揭示材料在深冷、高壓、臨氫條件下的性能演化規(guī)律與損傷機(jī)理，調(diào)控服役環(huán)境下材料性能，提出創(chuàng)新性的氫儲(chǔ)運(yùn)裝備設(shè)計(jì)理念與方法，是開發(fā)高性能低成本抗氫材料、保障氫儲(chǔ)運(yùn)裝備長(zhǎng)壽命及安全可靠服役的重要基礎(chǔ)。
① 提升氫儲(chǔ)運(yùn)裝備材料在極端服役條件下(如-253 ℃液氫、30 MPa以上高壓氫氣)的基礎(chǔ)性能測(cè)試與評(píng)價(jià)能力，支持氫儲(chǔ)運(yùn)裝備相關(guān)的新材料開發(fā)、零部件測(cè)試與產(chǎn)品認(rèn)證。
?、?對(duì)于金屬儲(chǔ)氫容器與輸氫管道，探明氫侵入金屬內(nèi)部的機(jī)制及其對(duì)材料氫損傷行為的影響規(guī)律;對(duì)于復(fù)合材料輕量化儲(chǔ)氫容器與柔性輸氫管道，研究氫氣環(huán)境下聚乙烯、尼龍、橡膠等非金屬材料微觀組織及力學(xué)性能演化機(jī)制，探明材料、應(yīng)力與高壓氫耦合作用下非金屬材料的氫鼓包、溶脹等損傷規(guī)律及調(diào)控方法，為氫儲(chǔ)運(yùn)裝備選材、設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)提供依據(jù)。
(二)加快氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)裝備攻關(guān)
氫氣的規(guī)模化儲(chǔ)存主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、深冷液態(tài)儲(chǔ)氫，規(guī)?；妮斶\(yùn)方式主要是長(zhǎng)管拖車輸氫、管道輸氫、將氫轉(zhuǎn)化為氨再進(jìn)行輸送。在高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫裝備方向，實(shí)現(xiàn)了固定式儲(chǔ)氫高壓容器的自主可控，獨(dú)創(chuàng)的鋼帶錯(cuò)繞式全多層儲(chǔ)氫高壓容器技術(shù)水平領(lǐng)先;著眼氫能輸送規(guī)模的快速增長(zhǎng)，研制地下儲(chǔ)氫庫(kù)等超大型儲(chǔ)氫裝備，開發(fā)高性能、低成本的抗氫材料，以有效降低裝備成本并提高應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性。在深冷液態(tài)儲(chǔ)氫裝備領(lǐng)域，形成了噸級(jí) / 天的氫液化能力，氫液化、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)的產(chǎn)業(yè)鏈;但大規(guī)模、高效率的氫液化裝備與技術(shù)仍是薄弱環(huán)節(jié)，液氫泵、加注槍、密封件等核心零部件與材料技術(shù)面臨“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，需加快研制并擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模。
在氫氣規(guī)?；斶\(yùn)裝備方向，國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)管拖車輸氫已具規(guī)模，在短距離、500 kg級(jí)氫氣輸運(yùn)方面發(fā)揮了積極作用;但輸運(yùn)效率較低、能耗大，需盡快攻克30 MPa以上輕量化長(zhǎng)管拖車輸氫技術(shù)。管道輸氫是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長(zhǎng)距離、安全經(jīng)濟(jì)輸運(yùn)的主要方式。在高壓力、大直徑、長(zhǎng)距離的金屬輸氫管道方向，國(guó)產(chǎn)鋼管在管材與氫氣(或摻氫天然氣)相容性、高強(qiáng)度抗氫性能等方面存在短板;具備耐氫性能的壓力表、安全閥、大流量壓縮機(jī)等關(guān)鍵零部件未能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，部件的可靠性、使用壽命、密封性亟需提升。而在中低壓的非金屬輸氫管道方面，國(guó)內(nèi)外均處于起步階段;國(guó)內(nèi)企業(yè)擁有柔性非金屬管道知識(shí)產(chǎn)權(quán)，需加快推進(jìn)柔性輸氫管道方面的標(biāo)準(zhǔn)制定、設(shè)計(jì)制造、應(yīng)用示范。
(三)提升氫儲(chǔ)運(yùn)裝備安全檢測(cè)技術(shù)水平
氫儲(chǔ)運(yùn)裝備在制造和服役過(guò)程中不可避免地存在缺陷或產(chǎn)生損傷，可能在載荷與環(huán)境共同作用下失效。氫氣易泄漏、高壓密封難，侵入傳感材料后導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)漂移，加大高壓氫環(huán)境下檢測(cè)傳感的難度。國(guó)產(chǎn)氫儲(chǔ)運(yùn)裝備的質(zhì)量和技術(shù)水平不適應(yīng)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需要，需攻克超高壓、極低溫氫能裝備安全檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)，建立檢驗(yàn)檢測(cè)、技術(shù)實(shí)證等平臺(tái);發(fā)展氫儲(chǔ)運(yùn)裝備的缺陷分類方法，分析在高壓、深冷、臨氫環(huán)境下的缺陷演化規(guī)律，探明缺陷演化對(duì)裝備服役性能及失效的影響機(jī)制。
開發(fā)氫儲(chǔ)運(yùn)裝備的在線檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)氫儲(chǔ)運(yùn)裝備制造、服役過(guò)程中的典型缺陷和損傷進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別，針對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行診斷評(píng)估。改進(jìn)大容量復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器制造缺陷的無(wú)損檢測(cè)、低溫絕熱液氫儲(chǔ)氫容器的絕熱性能喪失與氫氣泄漏快速監(jiān)測(cè)、輸氫管道泄漏檢測(cè)及監(jiān)測(cè)、缺陷在線檢測(cè)、結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷等技術(shù)，完善氫儲(chǔ)運(yùn)裝備安全檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)用信息技術(shù)和設(shè)備參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析能力。開發(fā)氫能裝備和應(yīng)用終端的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評(píng)價(jià)與預(yù)警工具，形成氫能裝備的性能檢測(cè)、試驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)展“材料+部件+裝備+系統(tǒng)”的全鏈條檢測(cè)與評(píng)估體系。
五、有關(guān)綠氫供應(yīng)體系建設(shè)的發(fā)展建議
以綠氫為基礎(chǔ)重塑氫能供應(yīng)體系，不是單一考慮加快發(fā)展上游的新能源電解水制氫并逐步替代化石能源制氫，而是統(tǒng)籌綠氫上 / 下游規(guī)?；┬韬蛢?chǔ)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)布局，以系統(tǒng)性思維推動(dòng)氫電融合發(fā)展、調(diào)節(jié)綠氫供需時(shí)空錯(cuò)配。
(一)注重頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌規(guī)劃布局
綠氫供應(yīng)體系建設(shè)是系統(tǒng)工程，應(yīng)協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上“制、儲(chǔ)、輸、用”各環(huán)節(jié)，與新型電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程相協(xié)調(diào)。建議采用氫電融合發(fā)展的系統(tǒng)性思維，開展綠氫供應(yīng)體系頂層設(shè)計(jì);統(tǒng)籌全產(chǎn)業(yè)鏈的中長(zhǎng)期規(guī)劃布局，集中式與分布式并舉，大規(guī)模、長(zhǎng)距離儲(chǔ)運(yùn)與就地消納利用結(jié)合，確保整體資源的優(yōu)化配置。發(fā)揮綠氫供應(yīng)體系在促進(jìn)大規(guī)模、高比例新能源消納方面的關(guān)鍵作用，增強(qiáng)新型電力系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能與靈活調(diào)節(jié)能力，提高整個(gè)能源供應(yīng)體系的魯棒性。
(二)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，化解時(shí)空錯(cuò)配矛盾
綠氫供應(yīng)體系供應(yīng)側(cè)、需求側(cè)的時(shí)空錯(cuò)配矛盾需要化解。建議依據(jù)氫電融合理念，統(tǒng)籌各地區(qū)、各領(lǐng)域發(fā)展規(guī)劃，穩(wěn)步推動(dòng)輸電與輸氫、制氫與儲(chǔ)氫相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。特高壓輸電線路、氫儲(chǔ)輸系統(tǒng)互為補(bǔ)充，消除新能源資源與用氫需求的空間錯(cuò)配，實(shí)現(xiàn)可再生能源的充分利用，提高綠氫大規(guī)模推廣應(yīng)用的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)可行性。制氫與儲(chǔ)氫相互協(xié)同，開展綠氫供需的時(shí)間錯(cuò)配調(diào)節(jié)，提升綠氫供應(yīng)的靈活性和可靠性，為高比例可再生能源接入新型電力系統(tǒng)提供大規(guī)模的儲(chǔ)能能力支撐。
(三)開展試點(diǎn)示范，驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新
在綠氫供應(yīng)體系發(fā)展初期，市場(chǎng)機(jī)制尚未成熟，需要為新技術(shù)創(chuàng)造成長(zhǎng)環(huán)境、提供產(chǎn)業(yè)化機(jī)遇。發(fā)揮領(lǐng)軍企業(yè)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面的“龍頭”作用，以“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)調(diào)發(fā)展模式構(gòu)建行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系。從原始技術(shù)創(chuàng)新、單項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)及優(yōu)化升級(jí)、領(lǐng)域技術(shù)集成創(chuàng)新三方面著手，把握資源稟賦和能源供需特點(diǎn)，因地制宜開展多類場(chǎng)景、不同規(guī)模的試點(diǎn)示范，從而引導(dǎo)甚至驅(qū)動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化落地。
(四)完善體制機(jī)制，營(yíng)造發(fā)展環(huán)境
綠氫作為未來(lái)新型能源體系中的重要組成部分，相應(yīng)的管理機(jī)制尚不健全，制約綠氫工程項(xiàng)目高效率實(shí)施、綠氫供應(yīng)體系高質(zhì)量建設(shè)。建議論證并修訂審批核準(zhǔn)、建設(shè)運(yùn)營(yíng)、安全監(jiān)管等行業(yè)政策，完善跨部門協(xié)調(diào)模式，探索碳稅、差別電價(jià)、特別路權(quán)等綠氫價(jià)格補(bǔ)償機(jī)制;加快構(gòu)建多層次、全方位的氫能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。盡快將氫氣按照能源屬性管理，匹配氫能規(guī)模化發(fā)展、多元化應(yīng)用的實(shí)際需要。
來(lái)源：中國(guó)工程院院刊 作者：杜忠明，鄭津洋等
評(píng)論