2024年中国管道输氢发展现状

佳安氢源 2024-08-14

管道输氢是中国氢能发展的一大瓶颈。和欧洲一样，中国也需要解决氢气的远距离运输问题，管道运输成为了选择。目前中国氢气管道里程约 400 公里，在用管道仅有百公里左右，已建成氢气管道很多是用于短距离的工业用氢传输。

管道输氢是中国氢能发展的一大瓶颈。和欧洲一样，中国也需要解决氢气的远距离运输问题，管道运输成为了选择。目前中国氢气管道里程约 400 公里，在用管道仅有百公里左右，已建成氢气管道很多是用于短距离的工业用氢传输。2023 年 6 月，中国能源报发文《尽快解决管道输氢掣肘问题》，揭示出了中国在输氢管道建设上的不足。

中国大规模的纯氢管道正处于示范项目建设初期

中国大规模的纯氢管道正处于示范项目建设初期。目前中国开展前期设计工作的氢气管道里程共计 1850km，各企业规划的氢管网总里程约 1.7 万 km。2023 年，中国首条“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，标志着中国氢气长距离输送管道进入新发展阶段。“西氢东送”起于内蒙古自治区乌兰察布市，终点位于北京市，管道全长400 多公里，是中国首条跨省区、大规模、长距离的纯氢输送管道。

估计中国管道的每百公里运输成本在1元/kg以上，有较大下降空间

中国 2015 年建成的济源-洛阳输氢管道投资成本约 584 万元/km，以此估算，中国管道输氢的百公里成本在 1 元/kg 左右。

相比欧洲，中国的管道运输成本偏高。欧洲陆上管道每100km 的氢气运输成本大约0.08~0.16元/kg，远低于中国。我们认为这主要是因为欧洲管道的运输量大，并且有 60%由油气管网改造而来，降低了建设成本。中国已建成的氢气管道运输量多在 10 万吨/年以下，金陵-扬子氢气管道只有 4 万吨/年。而欧洲 SoutH2 Corridor 项目全长 3300km，规划的年运输能力高达400 万吨/年。Central European Hydrogen Corridor (CEHC)全长1225km，输送量约150万吨/年(144GWh/d)。管道输氢的运输规模和运输成本有明显的负相关性。运输规模越大、运输成本越低。我们预计，未来中国基于规模化设计的大直径氢气管道，成本会有较大下降空间。

新建管道建设周期长，天然气管道掺氢更具经济性

新建管道建设周期长，天然气管道掺氢可以利用现有管道，更快应用于氢气输送。中国现有天然气管道长度达到 11 万 km，使用天然气掺氢技术可以充分利用现有的天然气基础设施，降低氢气运输成本。以掺氢比例 10%-20%计算，等热值碳减排量在 3.5%-7.6%；输氢成本每百公里为 0.3-0.8 元/km。目前天然气管道掺氢比例可达 20%左右。根据《进入天然气长输管道的气体质量要求》，天然气管道中氢气比例不得高于 3%，所以现阶段天然气掺氢比例大约在 3%。2023 年中国石油在宁夏银川宁东天然气掺氢管道示范项目上实现最高掺氢比例 24%。横向来看，全球各国的掺氢比例一般不超过 10%。比如芬兰、瑞士、奥地利、西班牙和法国允许的最大掺氢比例分别为 1%、2%、4%、5%和 6%。澳大利亚认为在掺氢比小于 10%时对天然气管道、设备等影响不大。德国允许的天然气最大掺氢比为 2%，但在特定情况下可达 10%。

掺氢天然气的压缩因子、节流效应系数、定压比热等参数较天然气和氢气有较大差异，对设备也有特殊要求。

管道：钢材在氢气环境下会产生氢损伤，其中氢脆是发展掺氢天然气管道输送技术的主要安全问题。根据欧洲 CGA-5.6 Hydrogen Pipeline System 的相关要求，天然气管道掺氢比例最高可以达到 10%（管道钢级不高于 X52）。中国的城市燃气官网一般选用低强度钢（API 5LA、API 5LB、X42 和 X46）和非金属材质聚乙烯等，运行压力低于 4Mpa，掺氢比例最高可以达到 20%。但对于干线长输管道大多采用 X70 和 X80 这种高钢级管材，掺氢比例分别只有 3%、2%。
压缩机：离心压缩机的实际运行工况与气体的组分有着非常密切的关系。由于氢气密度较小，离心式压缩机需要对 3 倍多体积的氢气做功才能达到与压缩天然气相同的能量需求，压缩机转子对氢气的旋转速度比天然气高出约 1.74 倍才能达到相同的压缩比。压缩机叶轮的工作转速使得叶轮转子承受更大的离心力作用，临氢工况下压缩机转子材料的防氢脆特性，对压缩机材料的力学性能要求更高。
掺混装备：在标准状态下（101.325kpa，0℃）氢气的密度为 0.089g/L，而天然气的密度为 0.717g/L。氢气和天然气的密度差会导致非均匀分布,造成管道局部氢分压和体积分数升高, 进而导致管材失效引起泄漏。实现氢气和天然气的高效、均匀混合是掺氢天然气输送中首先需要克服的难题。最常用的掺混设备是静态混合器，具有掺混效率高、能耗低、体积小、易于连续化生产等优点。

天然气掺氢的应用在技术上被初步验证。天然气掺氢可以被用于家庭和工业的燃气设备。在民用领域，在低于 20%体积分数的掺氢比例下，掺氢天然气在家用燃气具中燃烧的点火率、火焰稳定性与烟气排放性能全部合格而未发现安全性问题。在工业领域，国家电投旗下的荆门绿动能源有限公司在 2022 年 9 月成功实现 30%掺氢燃烧改造和运行。仅荆门一台 54 兆瓦燃机，在掺氢 30%的情况下，每年即可减少二氧化碳排放 1.8 万吨以上。

天然气掺氢的核心是经济性，远期以氢代 LNG 有望具备经济性。氢气单位体积的热值大约是天然气的 1/3，理论上只有氢气的体积成本低于天然气的 1/3，天然气掺氢才具有经济性。

当前中国居民天然气被价格管制，尽管海外 LNG 价格在 2022-2023 年曾一度飙升，但国内居民气价保持稳定。目前天然气门站价格按照 2 元/立方米估算，假设居民气价上浮20%，需要氢气成本低于 0.8 元/立方米（9.0 元/kg）。这远低于现阶段绿氢大约 20 元/kg 的成本。美国计划 10 年内将绿色氢成本降低 80%至每公斤 7 元/kg(1 美元/kg)。这一目标颇具挑战，但如果实现，则以氢代气具备经济性。

我们认为绿氢成本下降到 10 元/kg 的确定性比较强，以氢代 LNG 可能更快实现经济性。非管制气包括国产海气、进口 LNG、非常规气等。一般来说，非管制气的价格要远高于管制气。以 LNG 为例，过去 5 年平均价格为 4742 元/吨，折 3.4 元/立方米。当氢气价格低于 1.14 元/立方米（12.7 元/kg）,从热值角度来看掺氢具有经济性。从远期来看，绿氢成本有望下降到10 元/kg，届时以氢代替 LNG 将具备经济性。

本文内容来源于佳安氢源等公开信息，新能源技术与装备整理，责任编辑：胡静，审核人：李峥

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