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氢能输送基础设施综述

 更新时间:2024-01-05    点击量:136

氢基础设施是指氢管道运输、氢生产点(制氢场所)、加氢站(有时也可集群为氢高速公路)等基础设施,用于氢燃料的配送和销售。生产氢气,然后将其压缩或液化、储存,然后再转换成电能或热能,或用作(工业)工艺过程的输入。氢气可用作便携式(汽车)或固定式能源生产的燃料。与抽水蓄能、CAES(压缩空气储能) 和电池(储能电池)相比,氢的优势在于它是一种高能量密度的燃料,可以输入电网、还可以储存或转化为氨然后储存。然而,氢气的制取和运输基础设施以及正常运作的市场仍处于起步阶段。

氢能产业链全景图

另外,为了使可再生能源在绿氢为载体的帮助下能够普遍使用,除了有足够的绿电和氢气发电能力外,还需要一个能够有效可靠地满足企业和消费者需求的存储和运输网络的基础设施。

不管氢气是如何产生制取的,只要它不是在使用点直接产生的或者生产点直接使用,那它就必须要运输。为此就有了各种技术路线:例如,高压气态、绝热容器中的液氢、固态储氢、也可进一步加工成液态甲醇或氨,或使用所谓的“液态有机储氢体"(LOHC)化学溶解在载体介质中。

关于管道运输和电力输送成本对比问题

一个正在进行的争论是如何将氢输送到需求中心,或者换句话说,什么将是能源载体。一种选择是生产无碳电力,并将其输送给住宅、商业和工业用户。然后,电力将直接用于现场生产氢气。这种方法消除了氢传输成本,但代价是电网负担过重,而电网已经受到因传输可再生能源(电力)份额而增加的需求限制。另一种选择是将氢气直接输送给客户。

通过管道运输特别具有经济性。由于氢气的高热值和可压缩性,可以实现高的能量密度。与功率为1.5 GW的380 KV的双系统架空输电线路相比,天然气管道(PN80,DN1000)在进行天然气和氢气输送时的输送功率可达(上述电力输送)其十倍,而具体成本仅为其十四分之一。(输电和输(气)氢的经济性对比数据)

关于管道运输以及能量流问题


目前,世界的纯氢输送中已经有几条几百公里长的管道系统在使用。现有的(天然气)管道线路是输送系统中极其宝贵的组成部分,也为在可控的时间内建设气候中立的氢气工业体系提供了机会,而且投资很少。由于测量设备、压缩机和配件的更换相对容易,但更换或建造新的管道将耗资巨大。因为除了技术成本之外,必要的空间规划和规划审批程序也非常耗时耗力。


新建纯氢管道在理想的情况下,从最初规划到投入使用需要3-7 年时间。不过,现有的天然气网络的管道路线,包括其通行权和使用权,都是可以获得的,并可为人们所接受。与人们普遍认为的相反,氢气的运输能量密度仅略低于天然气。因此,从天然气到氢气的转换对管道运输能源的能力影响不大。尽管天然气的上限热值约为 11 kWh/Nm3,比氢气的上限热值 3.5 kWh/Nm3 高出约三倍,因此在相同压力下,要保持能量含量不变,同样单位时间内所需的氢气体积约为天然气的三倍。因此在比较两种气体通过管道的能量流时,重要的不仅是体积,最重要的是密度、流速和压力等参数。由于氢气的密度是天然气的1/9,流速是天然气的 3 倍,因此在相同压力和相同时间内,管道中可输送的氢气量几乎是天然气的 3 倍。

关于管道建设以及原有天然气管道利用的问题

预计在过渡阶段,将氢混合到天然气网络和基础设施中。预计管网将以改造现有天然气管道进行跨境运输为基础。目前,氢气是通过现有的天然气管网或对现有天然气管道进行改造,或通过专用管道输送的。运输成本数据表明,与其他运输方式相比,管道具有明显的成本优势,当然这也加强了监管的必要性。

相关研究和以往的实践经验表明,将现有的钢制管道从天然气管道转换为氢气管道是有可能的,而且可以达到满足氢气工业发展所需的程度。高压管道的使用寿命由于氢气的影响似乎不可能大幅缩短。

不过,还需要进一步研究是否必须针对某些类型的钢材和运行条件调整运行参数。对于接头和控制阀,还必须确定所使用的膜和密封件是否适用于氢气。

对于安全切断阀和压力调节器,必须明确其控制和调节功能是否必须适应氢气的流动特性。在确定管道是否合适之前,应对现有基础设施的具体条件进行检查和评估,并参考相关规范和法规。氢气必须压缩到管网的工作压力,才能输入管网输送系统。沿线要有一定间隔的压缩站可确保在管道流量损失的情况下仍能保持压力。为了在氢气使用中以高运输能量密度实现最佳利用,需要比天然气运行更多和更大功率的压缩机。对于计划中的中短期氢气管道项目,必要的压缩机技术可以采用 "久经考验 "的活塞式压缩机。从长远来看,在全国范围内运输氢气,运输需求规模达到GW级别,目前使用的涡轮压缩机技术路线将根据氢气这种介质特性进行优化。可以认为,如果市场需要,这些压缩机将在几年内能投入使用。

关于氢储能的问题

风能和光伏等可再生能源的发电受到自然环境条件波动的影响。为了能够根据需要高效地使用能源,需要大型而灵活的储能系统来补偿和调整这些波动。在可预见的未来,现有电力系统无法以经济可行的条件提供必要的大工业容量(尤其是通过电网缓冲和电池储电)。

另外,氢气由于其可压缩性和储存设施中的储存能力而非常适合作为能源,并且可以补充到基于储气设施的电网。面向可再生能源的气体基础设施中储存设施的运营操作制度与以前的天然气运营操作会有根本的不同。

虽然天然气储存主要服务于长期供应安全,但在氢操作中,它们主要补偿和调整“绿色"发电的短期波动。因此,洞穴储存设施特别适合储存氢气,因为它们可以灵活地储存和回收使其成为补偿和调整可再生能源波动的理想选择。

总之,不可否认,天然气基础设施的使用可以显著降低氢气运输的总体成本,既可以减少对管道基础设施的投资,也可以避免对电网扩建的投资。尽管如此,还是需要仔细地逐个评估,以确定竞争方案的技术和经济可行性,以及从天然气到氢气过渡的整个价值链的影响。当然绿色氢经济的成功主要取决于氢气能否在未来市场条件下以具有竞争力的方式满足客户的需求。除了在工业规模上高效生产绿色氢气的技术发展之外,最重要的是,这需要为氢气市场提供统一和适当的框架条件。


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