氫進萬家專題序(Ⅰ)
——氫進萬家，助力“雙碳”目標實現，服務生態文明建設

魯仰輝 趙建福 ?,,1)

*(國家電投集團科學技術研究院有限公司碳中和研究中心，北京 102209)

?(中國科學院力學研究所微重力重點實驗室，北京 100190)

**(中國科學院大學工程科學學院，北京 100049)

全球氣候變化是當今世界可持續發展面臨的巨大而嚴峻的挑戰，建設生態文明社會，實現碳中和是應對挑戰的重要手段。我國關于“雙碳（碳達峰和碳中和）”戰略目標的莊嚴承諾，正是作為一個負責任大國的使命與擔當。氫能作為潛力巨大的清潔能源載體，是我國能源結構由高碳到低碳轉型并最終實現碳中和戰略目標的重要選擇，甚至是實現碳中和的終極方案。目前，我國氫能產業正步入發展快車道，城鎮地區用氫需求將不斷提升，如何實現氫能的規?；?、經濟性和安全輸運是制約“氫進萬家”的關鍵問題。

管道輸運是實現氫氣大規模、網絡化輸送最有潛力的技術，如果利用已有天然氣管網進行少量改造輸氫，更能節約大量基礎設施建設費用。因此，管道摻氫輸送很早就得到了歐美國家重點關注，開展了大量研究和示范工作。中國氫能聯盟2020年發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》指出，美國有2 500公里的輸氫管道，歐洲已有1 569公里的輸氫管道。在摻氫輸運方面，國外研究和示范已開展近二十年。尤其在歐洲，正在開展的荷蘭Ameland、法國GRHYD、英國HyDeploy以及德國DVGW項目均計劃向天然氣管網最高注入20%（體積分數）氫氣，并研究其對管網及終端的影響。這些項目著重研究了管道材料與設備適應性、經濟性和安全性問題，有力推動了氫能在歐洲的發展和應用。

我國氫氣輸送技術研究和系統建設較國外明顯滯后，現有氫氣輸送管道總里程僅約400 km，在天然氣摻氫輸送方面起步也相對較晚。不過，近年來我國持續加大了投入力度。2019年國家電投集團率先在遼寧朝陽建設了國內首個電解制氫摻入天然氣應用示范，摻氫比例目前已達到10%，并對管道材料相容性、摻混工藝、安全保障技術、家用燃具適應性等進行了研究。2020年河北省在張家口市啟動天然氣摻氫示范項目，在“應張管線”末站開展摻混應用示范。2021年內蒙古自治區在烏海市建設純氫/摻氫試驗平臺，圍繞純氫與摻氫燃氣管道輸送應用開展關鍵技術研究。特別是科技部于2021年在山東啟動了“氫進萬家”科技示范工程，并在國家重點研發計劃中啟動一系列重點項目，圍繞氫能綠色制取與規模轉存體系、氫能安全存儲與快速輸配體系、氫能便捷改質與高效動力系統及“氫進萬家”綜合示范等開展聯合攻關，力爭貫通基礎前瞻、共性關鍵、工程應用和評估規范環節。

“氫進萬家”涉及國家氫能輸配體系發展規劃以及氫源供應?管道材料?管輸工藝?系統安全?終端應用等全鏈條協調發展。借鑒已有研究基礎，深入開展技術攻關，爭取在管材相容性、管道連接工藝、管輸工藝、事故特征規律、系統完整性管理及終端應用設備（如家用燃氣具、燃料電池等）等方面實現基礎理論突破與完善，開發關鍵設備和軟件，建立標準體系，開展示范驗證，積累應用經驗，縮短我國和國際先進水平的差距，推動能源結構的綠色轉型，助力“雙碳”戰略目標的順利實現，服務生態文明社會建設，提升我國能源安全與綠色生態環境水平，提高國民經濟競爭力和國際氣候治理領導力。

為此，本專欄特邀學術界和產業界專家學者圍繞“氫進萬家”相關技術方向，交流最新研究成果，分析目前研究現狀，研判未來發展趨勢，以推動“氫進萬家”目標實現，助力我國“雙碳”目標實現，服務國家生態文明建設。相關稿件擬分兩期刊出，本期主要內容簡介如下：

于子龍等調研了國際上具有代表性的天然氣摻氫管道輸運及終端應用研究及示范項目進展情況，就天然氣管道摻氫輸運的關鍵技術、燃燒器終端應用及經濟性分析等，系統總結了相關的研究成果、運行經驗和存在問題，并論證了針對我國的管路條件、氣體成分等開展深入系統研究的必要性。

“氫進萬家，安全第一?！卑踩珕栴}涉及材料、工藝、設備及系統完整性管理與應急維修等方方面面。陳林等評述了氫環境下壓力容器及管道材料相容性研究進展，闡述了典型氫脆機理及氫進入材料內部的滲透機理，總結分析了壓力容器和高鋼級管線鋼氫脆特征，強調未來氫致失效難題研究應關注熱處理與加工工藝、焊接工藝等，同時，也需要加強摻氫輸送管道的氫氣濃度閾值研究與控制、針對新環境的材料數據庫建設以及適應新的服役環境的材料相容性標準制定等。齊曉琳等實驗觀測了高錳鋼預充氫后在不同應變速率下的斷口特征，分析了不同應變速率下位錯載氫對金屬材料氫脆行為的影響，發現較慢應變速率下拉伸時氫可以隨位錯運動，在塑性變形過程中形成更大的氫原子擴散距離和脆性區深度，呈現更高的氫脆敏感性。另一方面，針對儲氫長管拖車在城市公路隧道運輸時突發異常狀況導致的氫氣泄漏和燃爆事故，時婷婷等構建了三維事故場景模型，基于隧道內氫氣泄漏濃度、沖擊波和溫度場等特性參數分析，研究了燃爆事故演化規律和毀傷機理，為事故防范與應急處置提供指導。

“氫進萬家，用戶為上?！睋綒涮烊粴怆S已有管網輸送到用戶燃燒利用，是低成本大規模利用氫能的有效方式之一，因此，適用于摻氫天然氣的高性能家用燃氣灶具研發與應用推廣是打通“氫進萬家”最后一公里的關鍵。江先明和黃遜青從燃氣分類與特性、關鍵技術問題、產品實現與性能測試、標準體系構建等方面，詳細總結了萬和公司近年來有關摻氫天然氣家用燃氣具研發的進展和經驗。王天天等實驗研究了摻氫比變化對燃燒設備運行參數的影響，揭示了摻氫天然氣在燃氣鍋爐和灶具中的回火特性變化規律，并基于預混氣體未燃側流速和火焰傳播速度的變化幅度定義了一個新的無量綱參數β，定量比較了不同設備的回火風險。

另一方面，氫質子交換膜燃料電池（H2-PEMFC）作為一種將氫氣的化學能轉換為電能的綠色能源技術，對于實現碳中和具有重要意義，同樣是“氫進萬家”戰略中重要的終端應用設備。李藝彤等針對H2-PEMFC陰極催化層內力–電–化–熱耦合傳遞過程，構建了二維、兩相、非等溫團聚物模型，數值分析了電解質體積分數和團聚物半徑對電池性能的影響，為提升燃料電池性能（特別是耐久性）及其安全應用有著明顯的指導意義。

篇幅所限，“氫進萬家”專欄更多論文將于下期刊出，敬請繼續關注。