深入分析：利用天然气基础设施进行氢气运输的目的

　　欧盟于2020年7月发布的“欧洲气候中性氢战略”只是一系列旨在促进使用氢来脱碳和整合能源系统的计划中最新的一个。20国集团、德国和日本也表示有兴趣开发这一技术。最近，德国管道运营商Nowega、Gascade和西门子能源公司联合发布了一份白皮书，研究了将天然气管道转变为未来氢能源转型支柱的实际问题。

　　除了从天然气中产生的脱碳氢，由可持续电力供电的电解槽产生的绿色氢可用于行业耦合(“power-to-x”)和可再生能源的大规模存储。

　　由于可再生能源和电解槽成本的下降，绿色氢在经济上变得更加可行。将能源系统的所有要素与氢连接起来，有望提高效率，减少碳排放，增加能源系统的稳健性，同时确保供应安全。在这种情况下，一个经常被提及的优点是，天然气基础设施可以重复使用，只需针对运输和储存氢气进行少量更改。

　　管道的最大能量密度

　　氢气可以在高压容器中以气体的形式运输，在隔热容器中以液体的形式运输，以加工成甲醇或氨的形式运输，或在化学载体介质中运输。然而，到目前为止，最经济可行的方法是通过管道，可以实现非常高的能源输送能力。

　　电力传输系统是各国可再生能源运输的重要支柱。理想情况下，天然气系统可以补充这一点：一个标准管道可以传输高达10倍于380kv、额定功率为1.5GW的双架空电力线的能量，而成本约为后者的十四分之一。但是，改造现有的基础设施以适应氢气需要付出多少努力呢？

　　德国天然气系统位于欧洲能源系统和长距离传输网络的中心，拥有密集的全国天然气管道基础设施，为解决如何将天然气基础设施最经济地转化为用来传输氢气提供了独特的机会。

　　成熟的现有基础设施

　　德国的天然气管道系统拥有超过40,000公里的长途传输干线和超过470,000公里的配送网，非常发达。此外，作为向邻国供应天然气的重要中转国，它拥有所有欧盟成员国中最广泛的储存能力，工作气体量约为267亿立方米，其基础设施与欧洲其他天然气市场紧密相连，使其成为可持续和安全的氢能源系统的潜在基石。

　　Christoph von dem Bussche是Gascade的首席执行官。Gascade是一家德国天然气管道运营商，管理着一个长约2900公里的输送系统，通过欧洲主要的运输管道连接到俄罗斯和北海港口。他说：“现有的天然气基础设施对欧盟实现气候中性的氢战略具有非常高的价值。首先，建设新的基础设施需要大量的时间。利用现有的基础设施，我们可以更快地实现我们的气候目标。其次，使用现有管道非常划算，可以将未来的能源价格保持在低位。”

　　材料测试：天然气管道能够输送氢气吗？

　　但是，为天然气设计的管道和部件是否在向氢的转变中完全兼容呢？哪些(如果有的话)是需要做出更改的？

　　在标准条件下，甲烷的热值是氢气的三倍。相反，在管道系统中，密度较小的氢气的流速比甲烷的流速高3倍。这意味着同样的管道在相同的压力下，在给定的时间内可以输送三倍以上的氢气，而能量输送能力仅略低些。

　　另一个因素是钢管和配件的完整性。根据钢的质量和可能暴露于原子氢中的情况，理论上，脆化会加速裂缝的扩展，使管道的使用寿命减少20%到50%。不过，只有当管道已经发生断裂，并且受到内部压力波动而产生的动态应力，同时又暴露在原子氢中，才有可能出现这种情况。然而，这三个因素同时被满足似乎不太可能：在正常运行条件下，应该很少有负载的变化，并且只输送分子氢(H2)。

　　顺其自然：压缩氢气用于洞穴储存

　　尽管如此，还是需要进行一些调整。为了将氢气压缩到管道的工作压力，沿途需要压缩站。如果氢气与甲烷混合，现有的天然气压缩机保持不变，根据氢气的混合情况，某些部分可能需要调整。如果氢含量超过40%，压缩机就需要更换了。要完全转换到100%氢气的管道，需要安装新的、更多的涡轮机或马达，以及更强大的压缩机，以提供比天然气高三倍的氢气流量。

　　由于在2030年之前，德国预计不会出现如此大规模的氢能源系统转型目标，第一批将现有管道转换为氢能源的试点已经在考虑之中，氢基础设施应与现有天然气资产并行建设。在德国北部，长距离的天然气网络由巨大的适合储存氢气的地下储存设施作为补充。这些蓄水层和洞穴储存库占欧洲天然气储存库容量的近四分之一，地理位置便利，靠近北海沿岸的主要港口和海上风电场。

　　一场全球性的氢革命是可行的

　　向氢能源系统的转变可以相当迅速地实现，只需对现有的运输基础设施和硬件进行适度调整。在德国，许多公司和机构已经形成了GET H2倡议，以创建一个有竞争力的氢市场，并适应法律和监管框架。其中之一是Nowega，这是一家拥有约1500公里高压天然气管道的输送系统运营商。Nowega首席执行官Frank Heunemann认为，德国的氢气战略已经确定了正确的优先顺序。他说：“现在重要的是确定具体的框架条件，作为开发绿色氢成为能源转型的基本元素的基础。”

　　虽然补贴可以帮助第一个步骤实现经济可行，但是如果竞争性公司要长期开发该市场，则需要稳定的政治指导方针，Heunemann认为：“为了利用现有的天然气基础设施在工业规模上实施项目，今年德国的能源立法必须为氢运输奠定法律基础。只有在此基础上，公司才能为开发投资提供可靠的长期基础。”尽管前提条件在德国等国家特别有利，但欧盟在其战略文件中指出，其他成员国也可以通过重复使用管道和存储设施来减少投资需求。

　　如果这种转变在欧洲是可行的，那么在其他拥有合适基础设施的国家和地区，也没有理由不可行。“现有的基础设施针对于氢气的转变，以合理的经济努力支持未来的可持续能源供应。从循环经济的角度来看，将现有的基础设施用于新的目的也是有意义的。”Gascade首席执行官von dem Bussche说。

　　投资氢技术不仅有助于各国政府实现其气候目标，而且还为在艰难的全球气候环境下实现经济复苏提供了一条潜在途径，同时保持清洁技术领导地位的优势。赋予天然气管道输送氢气的新用途，是实现健全的能源政策、环境管理和经济繁荣的现实途径。

　　（原文来自：全球能源 中国新能源网综合）