摘 要：本文闡述了氫能產(chǎn)業(yè)鏈的制取、儲存、運輸和利用等環(huán)節(jié)的技術發(fā)展情況，分析了實現(xiàn)氫能規(guī)模化應用需解決的關鍵問題。在分析氫能領域標準化現(xiàn)狀的基礎上，運用系統(tǒng)分析的方法提出了氫能標準體系框架構建建議。強調(diào)在氫能產(chǎn)業(yè)及氫能技術發(fā)展的過程中，應將產(chǎn)業(yè)和技術的發(fā)展同建立和發(fā)展氫能標準體系有機結合起來，系統(tǒng)開展氫能標準化工作，以引領我國氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展，促進石油工業(yè)綠色低碳轉型。

關鍵詞：氫能，技術發(fā)展，標準化，標準體系，構建

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

0 引 言

氫能是指以氫氣為能量載體，通過氫氣和氧氣反應所產(chǎn)生的能量，是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源。氫能所具有的獨特優(yōu)勢，使其在工業(yè)、交通、發(fā)電以及供熱等多領域可發(fā)揮燃料、原料等用途，是在工業(yè)、交通運輸和建筑等領域實現(xiàn)大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇，是應對氣候變化、優(yōu)化能源結構的重要手段，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈較長，涉及多個環(huán)節(jié)，而標準是組織生產(chǎn)和經(jīng)營的依據(jù)。氫能產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)各個領域均急需標準提供技術支持，同時亦需要標準對其產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮引領作用。

1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈及氫能分類

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制取、儲存、運輸和利用等。氫氣制備是氫能應用的基礎，氫氣的安全儲存和運輸是氫能應用的關鍵，氫氣的經(jīng)濟有效利用是氫能產(chǎn)業(yè)的目標和價值體現(xiàn)[1]。

氫能按制取過程及碳排放可分為：灰氫、藍氫和綠氫?；覛渲覆捎没剂现迫〉臍錃猓茪溥^程中有大量的碳排放，生產(chǎn)成本相對較低。藍氫指采用化石燃料制取，并在制備過程中采用碳捕集、利用及封存技術（CCUS）的氫氣。綠氫指采用可再生能源或核能通過電解制取的氫氣，制氫過程無碳排放。

目前，全球氫能主要以灰氫為主，占比達66%；其次為藍氫，占比為15%；綠氫僅占全球氫氣產(chǎn)量的4%左右[2]。隨著深度脫碳的需求增加和氫能成本經(jīng)濟性的提升，制氫結構將從以化石能源制氫為主逐步過渡到以非化石燃料發(fā)電進行電解水制氫為主的低碳制氫方式[3-4]，即從灰氫到藍氫到綠氫的漸進發(fā)展。

2 制 氫

2.1 制氫技術

目前工業(yè)上制氫的方式有煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、副產(chǎn)氣（焦爐煤氣、氯堿等）制氫、電解水制氫等[5-6]。

我國目前年制氫產(chǎn)量約330 0萬t，居全球第一位。其中，煤制氫產(chǎn)能約1000萬t/a；其次是工業(yè)副產(chǎn)氫，約800萬t/a；天然氣制氫占10%；電解水制氫僅占4%。中國石化是國內(nèi)最大的氫氣生產(chǎn)企業(yè)，年生產(chǎn)氫氣約390萬t。

2.2 化石燃料耦合 CCUS 制氫

化石燃料制氫耦合CCUS是發(fā)展低碳制氫的重要且有效的技術路線?；剂现茪鋾殡S產(chǎn)生大量的CO2，以化石燃料耦合CCUS，可將生產(chǎn)過程中排放的碳捕集封存起來，并加以利用，從而有效減少碳排放量[4]。

目前正在運營的美國A i r P r o d u c t s S t e a mMethane Reformer CCUS項目和加拿大Quest CCUS項目已應用于制氫項目，CO2捕集規(guī)模均達到100萬t/a。在建的低碳制氫耦合CCUS項目有：加拿大的Alberta Carbon Trunk Line with North West SturgeonRefinery CO2 Stream，英國的Northern GasNetworkH21、Hynet North West，以及愛爾蘭的Ervia CorkCCS 等項目，其捕集CO2規(guī)模分別為120～140萬 t/a、200萬 t/a、200萬 t/a、250萬 t/a。

2004年華能集團提出以煤氣化制氫、氫能發(fā)電為主，并對CO2進行分離及處理的“綠色煤電”計劃，計劃建成“綠色煤電”示范工程。華能天津IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)）示范電站于2013年5月建成。

2.3 不同技術路線制氫的對比

我國不同技術路線制氫的特點及碳排放量等的對比見表1[2，4，7]。

3 儲氫技術及加氫站

3.1 儲氫技術

幾種儲氫技術的對比如表2所示[7-8]。可見，高壓氣態(tài)儲氫是目前應用較為廣泛且發(fā)展較為成熟的儲氫技術。

3.2 加氫站

最早的氫氣加注站始于1 9 8 0 年代美國L o s?Alamos的加氫站。全球加氫站數(shù)量自2016年以來呈快速增長態(tài)勢，截至2021年底，全球在營加氫站659座。從2021年全球加氫站分布情況來看，亞洲加氫站數(shù)量占比達到52.99%，歐洲與北美地區(qū)加氫站數(shù)量占比分別為33.28%與12.55%，其他國家或地區(qū)占比1.17%。

截至2023年4月，我國已建成加氫站超過350座，約占全球總數(shù)的40%，位居世界第一位。隨著加氫站技術的成熟，全球加快了加氫站的布局，現(xiàn)階段歐美、日韓是主力，中國是增長最快的國家[8]。

4 輸 氫

4.1 不同輸氫方式對比

目前，氫氣的運輸方式主要有集裝格、長管拖車、管道、槽車等，現(xiàn)有輸送方式的特點如表3所示。在長距離輸氫中，管道輸送具有很強的競爭力，相關各方正致力于推進輸氫管道的建設。同時，天然氣管道摻氫亦成為研究的熱點[9]。

4.2 輸氫管道

全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程已超5000 km。美國和歐洲的輸氫管道建設早、里程長，美國超過2720 km，歐洲超過1500 km。氫氣管道的輸送壓力主要在1～10 MPa之間，管徑多在150～457 mm之間，L245鋼級管道占比約20%，L290（X42）、L360（X52）鋼級管道占比約60%，管型為無縫鋼管或電阻焊管。

我國的輸氫管道建設尚處于起步階段。國內(nèi)已建成和正在建設的輸氫管道有：濟源-洛陽輸氫管道、巴陵-長嶺輸送管線工程、金陵-揚子氫氣管道、定州-高碑店氫氣管道工程、玉門油田輸氫管道、浙江石化輸氫管道（在建）等，管徑在219～508mm之間，鋼級多為L245，個別為X42，輸送壓力在2.5～6 MPa之間，長度在4.7～164.7 km之間。

2023年4月中國石化“西氫東送”輸氫管道示范工程啟動，并被納入《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設實施方案》。該管道全長400多公里，是我國首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長距離純氫輸送管道。管道一期運力10萬噸/年。

4.3 摻氫管道

歐美等多個國家開展了摻氫天然氣管道輸送的應用基礎研究，以及天然氣管道摻氫示范項目，摻氫比例從2%到20%。截止2019年初，國際能源組織（IEA）數(shù)據(jù)顯示，各國有37個示范項目正在研究天然氣網(wǎng)絡中摻氫。國外部分摻氫管道項目情況如表4所示。

國內(nèi)已建成的摻氫管道有：烏海-銀川焦爐煤氣管道、義馬-鄭州煤氣管線工程、國家電投朝陽可再生能源摻氫示范項目、張家口天然氣摻氫示范項目、內(nèi)蒙古通遼隆圣峰規(guī)劃建設示范工程—甘旗卡綜合站至創(chuàng)業(yè)路純摻氫管道等，輸送壓力多為2.5 MPa。

2023年4月16日，中國石油用現(xiàn)有天然氣管道長距離輸送氫氣技術獲得突破，寧夏銀川寧東天然氣摻氫管道示范平臺在現(xiàn)有長397 km的天然氣管道中的摻氫比例已逐步達到24%。

5 氫能應用技術

氫氣兼具燃料、儲能、化工原料等多種屬性，在電力、交通、建筑、化工等多個行業(yè)具有廣闊的應用空間[10-12]。據(jù)統(tǒng)計，我國目前約 90%～95% 的氫能應用于石油化工、鋼鐵冶金[13]，且以就近消納為主。國內(nèi)外對于綠色氫能應用技術的理論探索與實踐主要聚焦于儲能、工業(yè)、交通運輸、建筑等領域。其中，氫燃料電池汽車是氫能應用最受關注的領域，在部分地區(qū)實現(xiàn)了小規(guī)模示范應用。

我國是世界上氫能產(chǎn)量最大的國家，同時具有世界上最完整的產(chǎn)業(yè)鏈和最大的消費市場，部分技術已處于世界領先水平，在氫能裝備生產(chǎn)制造上具備一定的優(yōu)勢[14]。但要實現(xiàn)氫能規(guī)?；瘧?，還面臨很多問題，主要有：（1）氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本高、效率低，終端消費成本高，相比傳統(tǒng)能源尚未形成商業(yè)化競爭力。（2）氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術成熟度不高，部分基礎材料、核心技術或關鍵部件中的高端產(chǎn)品多為國外企業(yè)壟斷，如兆瓦級電解制氫裝備、儲氫瓶組、膜電極、氫循環(huán)泵、氫氣品質檢測、氫氣泄漏測試等[14]。（3）可再生能源電解制氫技術尚處于研發(fā)階段，大規(guī)模氫能儲運技術不成熟，配套設施不完善。（4）安全性及管理體系有待完善。

6 氫能標準化工作現(xiàn)狀及標準體系構建

6.1 國內(nèi)外標準化工作現(xiàn)狀

（1）國外

國際標準化組織和發(fā)達國家已制定和發(fā)布了多項與氫能相關的標準。ISO國際標準化組織設立了專門的標準化技術委員會，即：氫技術委員會（ISO/TC 197），涵蓋氫的生產(chǎn)、儲存、運輸、測量和使用的系統(tǒng)和設備領域的標準化。該技術委員會于1990年創(chuàng)立，目前設有1個SC、1個特別工作組、1個聯(lián)合工作組、1個技術咨詢委員會、17個WG。已發(fā)布標準18項，24項標準正在制修訂。

國外發(fā)布了輸氫管道的相關設計和建造標準，如美國機械工程師協(xié)會最早于20 08年發(fā)布了輸氫管道標準ASME B31.12“Hydrogen Piping and?Pipelines”、歐洲工業(yè)氣體協(xié)會發(fā)布了EIGA IGC Doc121/14“Hydrogen Pipeline Systems”、亞洲壓縮氣體協(xié)會發(fā)布了CGA-5.6“Hydrogen Pipeline System”等。

天然氣摻氫標準的研究工作正在推進。歐洲的HyReady和HIPS-Net等技術委員會和行業(yè)組織正在研究摻氫的標準，歐盟委員會也正在研究氫在天然氣網(wǎng)絡中的作用及相關標準。

（2）國內(nèi)

在國家相關政策的支持下，近些年來我國氫能標準體系建設有了較大發(fā)展。經(jīng)國家標準化管理委員會批準，“全國氫能標準化技術委員會SAC/TC 309”于2008年6月正式成立，目前已發(fā)布國標34項，正在制訂國標10項。此外，與氫能相關的標準還有：GB 50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》、GB50516—2010（2021年版）《加氫站技術規(guī)范》、GB4962—2008《氫氣使用安全技術規(guī)程》等。

國內(nèi)多家研究機構正在積極研究制定輸氫/摻氫輸送管道相關標準。中國石油集團工程材料研究院有限公司牽頭起草的石油天然氣行標《天然氣摻氫輸送管材適用性評價方法》正在廣泛征求意見，牽頭起草的中國石油集團有限公司企標《氫氣輸送管道工程用無縫鋼管》亦正在開展立項工作。

6.2 氫能標準體系構建

當前，在實現(xiàn)雙碳目標、調(diào)整能源結構、發(fā)展低碳經(jīng)濟的背景下，我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入新階段，為適應氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求、推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需在系統(tǒng)梳理現(xiàn)有氫能相關標準、明確氫能產(chǎn)業(yè)重點領域和標準需求的基礎上，建立氫能標準體系并系統(tǒng)開展氫能標準化工作，以引領和促進我國氫能產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展。

在構建氫能標準體系時，應運用系統(tǒng)分析的方法，針對氫能標準化對象及其相關要素所形成的系統(tǒng)進行整體標準化研究，按照立足國情、統(tǒng)籌規(guī)劃、需求牽引、急用先行的原則，加強基礎通用標準和關鍵核心標準的制修訂。根據(jù)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的特點及標準化需求，建議氫能標準體系框架應包括基礎通用標準及產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)標準，如圖1所示。其中，基礎通用標準位于標準體系框架的最底層，對各環(huán)節(jié)標準和管理標準形成支撐；各環(huán)節(jié)標準和管理標準是氫能標準體系框架的主體，用于指導各個環(huán)節(jié)的氫能產(chǎn)業(yè)。

7 結 語

在應對氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟、保障能源安全的全球背景下，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是實現(xiàn)雙碳目標、推動能源革命、調(diào)整能源結構、促進低碳轉型等的必由之路。在大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的過程中，迫切需要對相關核心技術、關鍵材料產(chǎn)品等進行研究攻關，加大可再生能源的開發(fā)利用，降低氫能產(chǎn)業(yè)鏈成本；與此同時，應將氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同構建和發(fā)展氫能標準體系緊密結合，加快配套標準的研制及國際標準轉化，相信氫能產(chǎn)業(yè)定能在能源及相關領域開辟新天地。

參考文獻

[1]夏豐杰，周琰.德國氫能及燃料電池技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].船電技術，2015，35（2）：49-52．

[2]李建林，梁忠豪，梁丹曦，等.“雙碳”目標下綠氫制備及應用技術發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].分布式能源，2021，6（4）：25-33.

[3]珊克瑞·斯里尼瓦桑，周希舟，張東杰. 歐洲氫能發(fā)展現(xiàn)狀前景及對中國的啟示[J].國際石油經(jīng)濟，2019，27（4）：18-23.

[4]徐冬，孫楠楠，張九天，等.通過耦合碳捕集、利用與封存實現(xiàn)低碳制氫的潛力分析[J].熱力發(fā)電，2021，50（10）：53-60.

[5]陳子瞻，趙汀，劉超，等.煤炭制氫產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及我國新能源發(fā)展路徑選擇研究[J]. 中國礦業(yè)，2017，26（7）：35-40.

[6]鮑金成，趙子亮，馬秋玉.氫能技術發(fā)展趨勢綜述[J].汽車文摘，2020（2）：6-11.

[7]徐碩，余碧瑩.中國氫能技術發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].北京理工大學學報，2021，23（6）：1-12.

[8]苗安康，袁越，吳涵，等“. 雙碳”目標下綠色氫能技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究[J].分布式能源，2021，6（4）：15-24.

[9]杜召廷，劉欣，葉昆，等.對“雙碳”目標下石油公司發(fā)展氫能的思考和建議[J]. 國際石油經(jīng)濟，2022，30（2）：33-38.

[10]曹湘洪.氫能開發(fā)與利用中的關鍵問題[J].石油煉制與化工，2017，48（9）：1-6.

[11]杜澤學，慕旭宏.分布式制氫技術的發(fā)展及應用前景展望[J].石油煉制與化工，2021，52（1）：1-9.

[12]張景新，孟嘉樂，呂坤鍵，等.我國氫應用發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展望[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2021（1）：36-39.

[13]彭博新能源財經(jīng).可再生能源制氫經(jīng)濟性[R].2019.

[14]劉進亮. 氫能產(chǎn)業(yè)分析及發(fā)展對策[ J ] . 一重技術，2022（1）：68-72.

作者簡介

熊慶人，通信作者，博士，教授級高級工程師，主要從事石油管材及相關領域的材料性能與應用研究以及標準化研究等工作。

（責任編輯：袁文靜）