欧洲拟推动天然气基础设施输氢

将输氢新目的赋予天然气管道是实现健全能源政策、环境管理和经济繁荣的现实途径

 

液化空气集团收购和运行世界上最大的制氧工厂。利用可再生能源生产氢气或氧气，将减少其30%的二氧化碳排放。（陈学谦供图）

 

□ 吴 昊 编译

 

法国总统马克龙日前会晤德国总理默克尔，讨论在氢能源等领域的合作，并考虑设立由欧盟资助的联合项目。不久前，欧盟委员会宣布，2050年将氢在欧洲能源结构中的占比从2%提高到14%，以支持2030年减排55%的目标；而在今年7月，欧盟发布“推动欧洲气候中立的氢能战略”，旨在促进利用氢实现脱碳并整合能源系统等。

欧盟对氢能关注度的日益增长，正在促使规划者考虑将现有的天然气管道和其他基础设施用于氢的运输和储存。在欧洲能源系统的关键地区——德国，专家们正在测试综合氢电网安全运行参数。近期，德国管道运营商Nowega、Gascade和西门子能源公司联合撰写了一份白皮书（以下简称“白皮书”），研究推动利用天然气管道向氢能转型的可行性。

天然气管道输氢优势明显

“由于可再生能源和电解槽的成本不断下降，绿氢在经济上越来越具有可行性。” 白皮书指出，将能源系统的所有元素与氢连结在一起，有助于提高效率，降低碳排放，增强能源系统的稳定性，并确保供应安全。在这种情况下，由于天然气基础设施可以再利用，只需稍加改进就可用于运输和储存氢气，被视为推动氢能发展的路径。

据白皮书介绍，氢可以在高压容器中以气体形式、在隔热容器中以液体形式、以甲醇或氨等加工形式，或在化学载体介质中运输。然而，由于管道具有极高的能源输送能力，到目前为止，最经济可行的方法仍然是通过管道运输。其中，使用现有天然气管道输氢是一条可行路径。

不过，要改变现有基础设施的用途以输送氢气，需要做一些改变。根据白皮书，德国天然气系统拥有密集的全国性管道基础设施，且位于欧洲能源系统和长距离输送网络的中心，因此，以最经济的方式通过天然气基础设施运输氢气方面，德国天然气管网提供了独特的机遇。

据悉，德国的天然气管道系统非常发达，有超过4万公里的长距离输送管道和超过47万公里的配送管道。此外，作为向邻国供应天然气的关键过境国，它拥有所有欧盟成员国中最具扩张性的储存能力，其“工作气量”约为267亿立方米，基础设施与欧洲其他天然气市场连接良好，这些优势使其拥有可持续和安全输送氢气的潜力。

“现有的天然气基础设施对于欧洲气候中立的氢能战略具有非常高的价值。”Gascade公司首席执行官Christoph von dem Busche表示，“一方面，建设新的基础设施需要很长时间，利用现有的基础设施，我们可以更快地实现气候目标。另一方面，使用现有的管道具有很高的成本效益，可以使未来的能源价格保持在较低水平。”该公司是德国天然气管道运营商，运营和管理一个约2900公里的输送系统，并通过欧洲主要的运输管道连接着俄罗斯和北海港口。

白皮书强调，考虑到向大规模氢能系统转型的里程碑预期不会在2030年前的德国出现，因此，氢基础设施应与现有天然气资产并行建设，而将现有天然气管道转换为输氢管道的首批试点项目已经在考虑中。例如，德国北部的天然气管网区域广阔，适合于长距离地下储气，占欧洲天然气储存能力的近1/4，并且地理位置优越，靠近北海海岸的主要港口和海上风电场，适合向氢储运转型。

天然气管道与氢的兼容性需考量

白皮书指出，当前，输电系统是各国可再生能源输送的重要支撑，理想状况下，天然气系统可以在这方面发挥更好的效果——一条标准管道可输送的能量是一条380千伏、额定功率为1.5GW的双架空电力线的10倍。

据白皮书介绍，在标准条件下，甲烷的热值是氢的3倍；在管道系统中，密度较小的氢气流速比甲烷高出3倍。同一管道在同一压力下，在相同时间内输送氢气和输送天然气相比，能量输送能力几乎持平。不过，白皮书同时指出，为天然气设计的管道和部件是否与氢的兼容性需要考量。

尤其是在钢铁管道和部件的完整性方面，考虑到钢的质量和潜在的原子氢暴露，输送氢气理论上会出现脆裂化而加速裂纹的扩展，或将使管道的使用寿命缩短20%~50%。不过，白皮书认为，只有当管道已经出现裂缝，并且由于内部压力波动而承受动态应力，同时又暴露于氢原子时，才有可能发生这种情况，而这三个条件不太可能同时出现。

“尽管如此，天然气管道输送氢气时，仍然需要进行一些调整。”白皮书指出，为了将氢气压缩到管道的工作压力，沿途需要设置压气站。根据白皮书，如果天然气管道完全转换到100%氢气输送，需要安装更多新的涡轮机或发动机以及更强大的压缩机，从而适应比天然气高3倍的氢气体积流量。不过，如果氢气与甲烷混合，则仅需要对某些部件进行调整，但氢含量超过40%时，需要更换压缩机。

管道输氢推动全球“氢革命”

白皮书指出，只要对现有的基础设施和硬件进行适当调整，就可以迅速向氢能系统转型。据介绍，在德国，一些企业和研究机构发起了“GET H2倡议”，旨在打造一个具有竞争力的氢市场，并调整法律和监管框架。

其中之一是Nowega——一家拥有约1500公里高压天然气管道的系统运营商，该公司首席执行官Frank Heunemann认为，德国的氢能战略已经确定了正确的优先事项。他表示：“现在重要的是制定具体的框架条件，以此作为发展绿氢的基础，作为能源转型的基本元素。”

要推动拥有竞争力的企业长期开发氢能市场，就需要有稳定的政策方针。“为了利用现有天然气基础设施在氢能产业规模上进行拓展，在今年的德国能源立法中，必须建立氢运输的法律基础。”Frank Heunemann表示：“只有在这样的基础上，企业才能有可靠的长期投资基础。”

白皮书认为，如果这种重新调整现有管道用途的措施在欧洲是可行的，在其他拥有适当基础设施的国家也同样可行。Christoph von dem Busche指出，“改造现有的天然气基础设施用于新的用途，以合理的经济投入支持未来的可持续能源供应，是具有普适性的。”

“投资于氢技术不仅有助于各国政府实现气候目标，还将为深陷疫情冲击中的全球经济的复苏提供一个潜在的路径。”在Christoph von dem Busche看来，“将输氢的新目的赋予天然气管道是实现健全能源政策、环境管理和经济繁荣的现实途径。”