氢能技术发展现状及其标准化

2024-06-03熊庆人

中国标准化 2024年5期

摘要：本文阐述了氢能产业链的制取、储存、运输和利用等环节的技术发展情况，分析了实现氢能规模化应用需解决的关键问题。在分析氢能领域标准化现状的基础上，运用系统分析的方法提出了氢能标准体系框架构建建议。强调在氢能产业及氢能技术发展的过程中，应将产业和技术的发展同建立和发展氢能标准体系有机结合起来，系统开展氢能标准化工作，以引领我国氢能产业有序发展，促进石油工业绿色低碳转型。

关键词：氢能，技术发展，标准化，标准体系，构建

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.015

0 引言

氢能是指以氢气为能量载体，通过氢气和氧气反应所产生的能量，是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源。氢能所具有的独特优势，使其在工业、交通、发电以及供热等多领域可发挥燃料、原料等用途，是在工业、交通运输和建筑等领域实现大规模深度脱碳的最佳选择，是应对气候变化、优化能源结构的重要手段，氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

氢能产业链较长，涉及多个环节，而标准是组织生产和经营的依据。氢能产业作为战略性新兴产业各个领域均急需标准提供技术支持，同时亦需要标准对其产业发展发挥引领作用。

1 氢能产业链及氢能分类

氢能产业链包括制取、储存、运输和利用等。氢气制备是氢能应用的基础，氢气的安全储存和运输是氢能应用的关键，氢气的经济有效利用是氢能产业的目标和价值体现[1]。

氢能按制取过程及碳排放可分为：灰氢、蓝氢和绿氢。灰氢指采用化石燃料制取的氢气，制氢过程中有大量的碳排放，生产成本相对较低。蓝氢指采用化石燃料制取，并在制备过程中采用碳捕集、利用及封存技术（CCUS）的氢气。绿氢指采用可再生能源或核能通过电解制取的氢气，制氢过程无碳排放。

目前，全球氢能主要以灰氢为主，占比达66%；其次为蓝氢，占比为15%；绿氢仅占全球氢气产量的4%左右[2]。随着深度脱碳的需求增加和氢能成本经济性的提升，制氢结构将从以化石能源制氢为主逐步过渡到以非化石燃料发电进行电解水制氢为主的低碳制氢方式[3-4]，即从灰氢到蓝氢到绿氢的渐进发展。

2 制氢

2.1 制氢技术

目前工业上制氢的方式有煤制氢、天然气制氢、甲醇制氢、副产气（焦炉煤气、氯碱等）制氢、电解水制氢等[5-6]。

我国目前年制氢产量约330 0万t，居全球第一位。其中，煤制氢产能约1000万t/a；其次是工业副产氢，约800万t/a；天然气制氫占10%；电解水制氢仅占4%。中国石化是国内最大的氢气生产企业，年生产氢气约390万t。

2.2 化石燃料耦合 CCUS 制氢

化石燃料制氢耦合CCUS是发展低碳制氢的重要且有效的技术路线。化石燃料制氢会伴随产生大量的CO2，以化石燃料耦合CCUS，可将生产过程中排放的碳捕集封存起来，并加以利用，从而有效减少碳排放量[4]。

目前正在运营的美国A i r P r o d u c t s S t e a mMethane Reformer CCUS项目和加拿大Quest CCUS项目已应用于制氢项目，CO2捕集规模均达到100万t/a。在建的低碳制氢耦合CCUS项目有：加拿大的Alberta Carbon Trunk Line with North West SturgeonRefinery CO2 Stream，英国的Northern GasNetworkH21、Hynet North West，以及爱尔兰的Ervia CorkCCS 等项目，其捕集CO2规模分别为120～140万 t/a、200万 t/a、200万 t/a、250万 t/a。

2004年华能集团提出以煤气化制氢、氢能发电为主，并对CO2进行分离及处理的“绿色煤电”计划，计划建成“绿色煤电”示范工程。华能天津IGCC（整体煤气化联合循环）示范电站于2013年5月建成。

2.3 不同技术路线制氢的对比

我国不同技术路线制氢的特点及碳排放量等的对比见表1[2，4，7]。

3 储氢技术及加氢站

3.1 储氢技术

几种储氢技术的对比如表2所示[7-8]。可见，高压气态储氢是目前应用较为广泛且发展较为成熟的储氢技术。

3.2 加氢站

最早的氢气加注站始于1 9 8 0 年代美国L o s Alamos的加氢站。全球加氢站数量自2016年以来呈快速增长态势，截至2021年底，全球在营加氢站659座。从2021年全球加氢站分布情况来看，亚洲加氢站数量占比达到52.99%，欧洲与北美地区加氢站数量占比分别为33.28%与12.55%，其他国家或地区占比1.17%。

截至2023年4月，我国已建成加氢站超过350座，约占全球总数的40%，位居世界第一位。随着加氢站技术的成熟，全球加快了加氢站的布局，现阶段欧美、日韩是主力，中国是增长最快的国家[8]。

4 输氢

4.1 不同输氢方式对比

目前，氢气的运输方式主要有集装格、长管拖车、管道、槽车等，现有输送方式的特点如表3所示。在长距离输氢中，管道输送具有很强的竞争力，相关各方正致力于推进输氢管道的建设。同时，天然气管道掺氢亦成为研究的热点[9]。

4.2 输氢管道

全球范围内氢气输送管道总里程已超5000 km。美国和欧洲的输氢管道建设早、里程长，美国超过2720 km，欧洲超过1500 km。氢气管道的输送压力主要在1～10 MPa之间，管径多在150～457 mm之间，L245钢级管道占比约20%，L290（X42）、L360（X52）钢级管道占比约60%，管型为无缝钢管或电阻焊管。

我国的输氢管道建设尚处于起步阶段。国内已建成和正在建设的输氢管道有：济源-洛阳输氢管道、巴陵-长岭输送管线工程、金陵-扬子氢气管道、定州-高碑店氢气管道工程、玉门油田输氢管道、浙江石化输氢管道（在建）等，管径在219～508mm之间，钢级多为L245，个别为X42，输送压力在2.5～6 MPa之间，长度在4.7～164.7 km之间。

2023年4月中国石化“西氢东送”输氢管道示范工程启动，并被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》。该管道全长400多公里，是我国首条跨省区、大规模、长距离纯氢输送管道。管道一期运力10万吨/年。

4.3 掺氢管道

欧美等多个国家开展了掺氢天然气管道输送的应用基础研究，以及天然气管道掺氢示范项目，掺氢比例从2%到20%。截止2019年初，国际能源组织（IEA）数据显示，各国有37个示范项目正在研究天然气网络中掺氢。国外部分掺氢管道项目情况如表4所示。

国内已建成的掺氢管道有：乌海-银川焦炉煤气管道、义马-郑州煤气管线工程、国家电投朝阳可再生能源掺氢示范项目、张家口天然气掺氢示范项目、内蒙古通辽隆圣峰规划建设示范工程—甘旗卡综合站至创业路纯掺氢管道等，输送压力多为2.5 MPa。

2023年4月16日，中国石油用现有天然气管道长距离输送氢气技术获得突破，宁夏银川宁东天然气掺氢管道示范平台在现有长397 km的天然气管道中的掺氢比例已逐步达到24%。

5 氢能应用技术

氢气兼具燃料、储能、化工原料等多种属性，在电力、交通、建筑、化工等多个行业具有广阔的应用空间[10-12]。据统计，我国目前约 90%～95% 的氢能应用于石油化工、钢铁冶金[13]，且以就近消纳为主。国内外对于绿色氢能应用技术的理论探索与实践主要聚焦于储能、工业、交通运输、建筑等领域。其中，氢燃料电池汽车是氢能应用最受关注的领域，在部分地区实现了小规模示范应用。

我国是世界上氢能产量最大的国家，同时具有世界上最完整的产业链和最大的消费市场，部分技术已处于世界领先水平，在氢能装备生产制造上具备一定的优势[14]。但要实现氢能规模化应用，还面临很多问题，主要有：（1）氢能产业链成本高、效率低，终端消费成本高，相比传统能源尚未形成商业化竞争力。（2）氢能产业链技术成熟度不高，部分基础材料、核心技术或关键部件中的高端产品多为国外企业垄断，如兆瓦级电解制氢装备、储氢瓶组、膜电极、氢循环泵、氢气品质检测、氢气泄漏测试等[14]。（3）可再生能源电解制氢技术尚处于研发阶段，大规模氢能储运技术不成熟，配套设施不完善。（4）安全性及管理体系有待完善。

6 氢能标准化工作现状及标准体系构建

6.1 国内外标准化工作现状

（1）国外

国际标准化组织和发达国家已制定和发布了多项与氢能相关的标准。ISO国际标准化组织设立了专门的标准化技术委员会，即：氢技术委员会（ISO/TC 197），涵盖氢的生产、储存、运输、测量和使用的系统和设备领域的标准化。该技术委员会于1990年创立，目前设有1个SC、1个特别工作组、1个联合工作组、1个技术咨询委员会、17个WG。已发布标准18项，24项标准正在制修订。

国外发布了输氢管道的相关设计和建造标准，如美国机械工程师协会最早于20 08年发布了输氢管道标准ASME B31.12“Hydrogen Piping and Pipelines”、欧洲工业气体协会发布了EIGA IGC Doc121/14“Hydrogen Pipeline Systems”、亚洲压缩气体协会发布了CGA-5.6“Hydrogen Pipeline System”等。

天然气掺氢标准的研究工作正在推进。欧洲的HyReady和HIPS-Net等技术委员会和行业组织正在研究掺氢的标准，欧盟委员会也正在研究氢在天然气网络中的作用及相关标准。

（2）国内

在国家相关政策的支持下，近些年来我国氢能标准体系建设有了较大发展。经国家标准化管理委员会批准，“全国氢能标准化技术委员会SAC/TC 309”于2008年6月正式成立，目前已发布国标34项，正在制订国标10项。此外，与氢能相关的标准还有：GB 50177—2005《氢气站设计规范》、GB50516—2010（2021年版）《加氢站技术规范》、GB4962—2008《氢气使用安全技术规程》等。

国内多家研究机构正在积极研究制定输氢/掺氢输送管道相关标准。中国石油集团工程材料研究院有限公司牵头起草的石油天然气行标《天然气掺氢输送管材适用性评价方法》正在广泛征求意见，牵头起草的中国石油集团有限公司企标《氢气输送管道工程用无缝钢管》亦正在开展立项工作。

6.2 氢能标准体系构建

当前，在实现双碳目标、调整能源结构、发展低碳经济的背景下，我国氢能产业发展进入新阶段，为适应氢能产业发展的需求、推动氢能产业的发展，需在系统梳理現有氢能相关标准、明确氢能产业重点领域和标准需求的基础上，建立氢能标准体系并系统开展氢能标准化工作，以引领和促进我国氢能产业有序发展。

在构建氢能标准体系时，应运用系统分析的方法，针对氢能标准化对象及其相关要素所形成的系统进行整体标准化研究，按照立足国情、统筹规划、需求牵引、急用先行的原则，加强基础通用标准和关键核心标准的制修订。根据氢能产业链的特点及标准化需求，建议氢能标准体系框架应包括基础通用标准及产业链各环节标准，如图1所示。其中，基础通用标准位于标准体系框架的最底层，对各环节标准和管理标准形成支撑；各环节标准和管理标准是氢能标准体系框架的主体，用于指导各个环节的氢能产业。

7 结语

在应对气候变化、发展低碳经济、保障能源安全的全球背景下，发展氢能产业是实现双碳目标、推动能源革命、调整能源结构、促进低碳转型等的必由之路。在大力发展氢能产业的过程中，迫切需要对相关核心技术、关键材料产品等进行研究攻关，加大可再生能源的开发利用，降低氢能产业链成本；与此同时，应将氢能产业的发展同构建和发展氢能标准体系紧密结合，加快配套标准的研制及国际标准转化，相信氢能产业定能在能源及相关领域开辟新天地。

参考文献

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