日前，法國總統(tǒng)馬克龍與德國總理默克爾會(huì)晤，討論在氫能源等領(lǐng)域的合作，并考慮設(shè)立由歐盟資助的聯(lián)合項(xiàng)目。不久之前，歐盟委員會(huì)宣布，將2050年氫在歐洲能源結(jié)構(gòu)中的占比從2%提高到14%，以支持2030年減排55%的目標(biāo)；而在今年7月，歐盟發(fā)布“推動(dòng)歐洲氣候中立的氫能戰(zhàn)略”，旨在促進(jìn)利用氫實(shí)現(xiàn)脫碳并整合能源系統(tǒng)……
       歐盟對(duì)氫能關(guān)注度的日益增長(zhǎng)，正在促使規(guī)劃者考慮將現(xiàn)有的天然氣管道和其他基礎(chǔ)設(shè)施用于氫的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。在歐洲能源系統(tǒng)的關(guān)鍵地區(qū)——德國，專家們正在測(cè)試綜合氫電網(wǎng)安全運(yùn)行的參數(shù)。近期，德國管道運(yùn)營商N(yùn)owega、Gascade和西門子能源公司聯(lián)合撰寫了一份白皮書（下稱《白皮書》），研究利用天然氣管道推動(dòng)向氫能轉(zhuǎn)型的可行性。

       天然氣管道輸氫優(yōu)勢(shì)明顯
       “由于可再生能源和電解槽的成本不斷下降，綠氫在經(jīng)濟(jì)上越來越具有可行性。” 《白皮書》指出，將能源系統(tǒng)的所有元素與氫連結(jié)在一起，有助于提高效率，降低碳排放，增強(qiáng)能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并確保供應(yīng)安全。在這種情況下，由于天然氣基礎(chǔ)設(shè)施可以再利用，只需稍加改進(jìn)就可用于運(yùn)輸和儲(chǔ)存氫氣，被視為推動(dòng)氫能發(fā)展的路徑。
     
       據(jù)《白皮書》介紹，氫可以在高壓容器中以氣體形式、在隔熱容器中以液體的形式、以甲醇或氨等加工形式、或在化學(xué)載體介質(zhì)中運(yùn)輸，然而，由于管道具有極高的能源輸送能力，到目前為止，最經(jīng)濟(jì)可行的方法仍然是通過管道運(yùn)輸。其中，使用現(xiàn)有天然氣管道輸氫是一條可行的路徑。
       不過，要改變現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的用途以輸送氫氣，需要做一些改變。根據(jù)白皮書，德國天然氣系統(tǒng)擁有密集的全國性管道基礎(chǔ)設(shè)施，且位于歐洲能源系統(tǒng)和長(zhǎng)距離輸送網(wǎng)絡(luò)的中心，因此，在以最經(jīng)濟(jì)的方式通過天然氣基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)輸氫氣方面，德國天然氣管網(wǎng)提供了獨(dú)特的機(jī)遇。
       據(jù)悉，德國的天然氣管道系統(tǒng)非常發(fā)達(dá)，有超過4萬公里的長(zhǎng)距離輸送管道和超過47萬公里的配送管道。此外，作為向鄰國供應(yīng)天然氣的關(guān)鍵過境國，它擁有所有歐盟成員國中最具擴(kuò)張性的儲(chǔ)存能力，其“工作氣量”約為267億立方米，基礎(chǔ)設(shè)施與歐洲其他天然氣市場(chǎng)連接良好，這些優(yōu)勢(shì)使其擁有可持續(xù)和安全輸送氫氣的潛力。
       “現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于歐洲氣候中立的氫能戰(zhàn)略具有非常高的價(jià)值。”Gascade公司首席執(zhí)行官Christoph von dem Busche表示，“首先，建設(shè)新的基礎(chǔ)設(shè)施需要很長(zhǎng)時(shí)間，利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，我們可以更快地實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)；其次，使用現(xiàn)有的管道具有很高的成本效益，可以使未來的能源價(jià)格保持在較低水平。”該公司是德國天然氣管道運(yùn)營商，運(yùn)營和管理一個(gè)約2900公里的輸送系統(tǒng)，并通過歐洲主要的運(yùn)輸管道連接著俄羅斯和北海港口。
       《白皮書》強(qiáng)調(diào)，考慮到向大規(guī)模氫能系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的里程碑預(yù)期不會(huì)在2030年前的德國出現(xiàn)，因此，氫基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)與現(xiàn)有天然氣資產(chǎn)并行建設(shè)，而將現(xiàn)有天然氣管道轉(zhuǎn)換為輸氫管道的首批試點(diǎn)項(xiàng)目已經(jīng)在考慮中。例如，德國北部的天然氣管網(wǎng)區(qū)域廣闊，適合于長(zhǎng)距離地下儲(chǔ)氣，占?xì)W洲天然氣儲(chǔ)存能力的近四分之一，并且地理位置優(yōu)越，靠近北海海岸的主要港口和海上風(fēng)電場(chǎng)，適合向氫儲(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)型。

       天然氣管道與氫的兼容性需考量
       《白皮書》指出，當(dāng)前，輸電系統(tǒng)是各國可再生能源輸送的重要支撐，理想狀況下，天然氣系統(tǒng)可以在這方面發(fā)揮更好的效果——一條標(biāo)準(zhǔn)管道可輸送的能量是一條380千伏、額定功率為1.5GW的雙架空電力線的10倍。
       據(jù)《白皮書》介紹，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，甲烷的熱值是氫的三倍；在管道系統(tǒng)中，密度較小的氫氣的流速比甲烷高出三倍。同一管道在同一壓力下，在相同時(shí)間內(nèi)輸送氫氣和輸送天然氣相比，能量輸送能力幾乎持平。不過，《白皮書》同時(shí)指出，為天然氣設(shè)計(jì)的管道和部件是否與氫的兼容性需要考量。
       尤其是在鋼鐵管道和部件的完整性方面，考慮到鋼的質(zhì)量和潛在的原子氫暴露，輸送氫氣理論上會(huì)出現(xiàn)脆裂化而加速裂紋的擴(kuò)展，或?qū)⑹构艿赖氖褂脡勖s短20%至50%。不過，《白皮書》認(rèn)為，只有當(dāng)管道已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，并且由于內(nèi)部壓力波動(dòng)而承受動(dòng)態(tài)應(yīng)力，同時(shí)又暴露于氫原子時(shí)，才有可能發(fā)生這種情況，而這三個(gè)條件不太可能同時(shí)出現(xiàn)。
       “盡管如此，天然氣管道輸送氫氣時(shí)，仍然需要進(jìn)行一些調(diào)整。”《白皮書》指出，為了將氫氣壓縮到管道的工作壓力，沿途需要設(shè)置壓氣站。根據(jù)《白皮書》，如果天然氣管道完全轉(zhuǎn)換到100%氫氣輸送，需要安裝更多新的渦輪機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)以及更強(qiáng)大的壓縮機(jī)，從而適應(yīng)比天然氣高三倍的氫氣體積流量。不過，如果氫氣與甲烷混合，則僅需要對(duì)某些部件進(jìn)行調(diào)整，但氫含量超過40%時(shí)，需要更換壓縮機(jī)。
       
       管道輸氫推動(dòng)全球“氫革命”
       《白皮書》指出，只要對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和硬件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，就可以迅速向氫能系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。據(jù)介紹，在德國，一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)發(fā)起了“GET H2倡議”，旨在打造一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的氫市場(chǎng)，并調(diào)整法律和監(jiān)管框架。
       其中之一是Nowega——一家擁有約1500公里高壓天然氣管道的系統(tǒng)運(yùn)營商，該公司首席執(zhí)行官Frank Heunemann認(rèn)為，德國的氫能戰(zhàn)略已經(jīng)確定了正確的優(yōu)先事項(xiàng)。他表示：“現(xiàn)在重要的是制定具體的框架條件，以此作為發(fā)展綠氫的基礎(chǔ)，作為能源轉(zhuǎn)型的基本元素。”
       要推動(dòng)擁有競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)長(zhǎng)期開發(fā)氫能市場(chǎng)，就需要有穩(wěn)定的政策方針。“為了利用現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施在氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模上進(jìn)行拓展，在今年的德國能源立法中，必須建立氫運(yùn)輸?shù)姆苫A(chǔ)。”Frank Heunemann表示：“只有在這樣的基礎(chǔ)上，企業(yè)才能有可靠的長(zhǎng)期投資基礎(chǔ)。”
       《白皮書》認(rèn)為，如果這種重新調(diào)整現(xiàn)有管道用途的措施在歐洲是可行的，在其他擁有適當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施的國家也同樣可行。Christoph von dem Busche指出，“改造現(xiàn)有的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施用于新的用途，以合理的經(jīng)濟(jì)投入支持未來的可持續(xù)能源供應(yīng)，是具有普適性的。”
        “投資于氫技術(shù)不僅有助于各國政府實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)，還將為深陷疫情沖擊中的全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供一個(gè)潛在的路徑。”在Christoph von dem Busche看來，“將輸氫的新目的賦予天然氣管道是實(shí)現(xiàn)健全能源政策、環(huán)境管理和經(jīng)濟(jì)繁榮的現(xiàn)實(shí)途徑。”