Причины, по которым существующие пластиковые трубы с трудом проникают на рынок труб среднего и большого диаметра низкого и среднего давления, заключаются в следующем:

　　I. Полимерные трубы сплошного сечения не полностью соответствуют требованиям к характеристикам трубопроводов

　　1. Трубы из поливинилхлорида (PVC)

　　Поливинилхлоридная смола обладает плохой текучестью, что затрудняет изготовление труб сплошного сечения очень большого диаметра. Диаметр большинства широко используемых в мире напорных труб из жесткого ПВХ PVC-U составляет около 1200 мм, а максимальный диаметр труб PVC-O, производимых за рубежом, в настоящее время составляет 800 мм.

　　 2. Трубы из полиэтилена высокой плотности (HDPE)

　　Полиэтиленовая смола обладает хорошей текучестью, что позволяет изготавливать трубы сплошного сечения очень большого диаметра. Максимальный диаметр труб HDPE, производимых за рубежом, достигает 2500 мм, а максимальный диаметр труб HDPE, производимых в стране, составляет 1600 мм. Однако, поскольку трубы HDPE требуют большей толщины стенки для выдерживания внутреннего давления, в настоящее время большинство труб HDPE большего диаметра используются в областях с низким давлением.

　 　II. Неудобное соединение труб HDPE большого диаметра

　　Большинство труб HDPE соединяются методом сварки плавлением, стыковой сваркой плавлением или с использованием электрофузионных фитингов. Сварка плавлением имеет много преимуществ, но применительно к трубам HDPE большого диаметра она становится неудобной, а надежность снижается. Соединение с помощью электрофузионных фитингов требует соответствующего и равномерного зазора между фитингом и трубой, а для обеспечения качества сварки также требуется удалить оксидный слой с поверхности трубы, что трудно сделать на трубах и фитингах большого диаметра.

　　Стыковая сварка плавлением требует громоздкого сварочного оборудования и строгого процесса сварки. Выполнение одной точки сварки на трубе большого диаметра часто занимает много времени. Еще одна проблема заключается в том, что качество сварки трудно проверить неразрушающим методом, хотя в последние годы были разработаны методы неразрушающего контроля с использованием ультразвука и микроволн, но до сих пор они не получили широкого распространения. В настоящее время для труб большого и среднего диаметра, а также для трубопроводов среднего и низкого давления из таких материалов, как чугунные трубы с шаровидным графитом, сварные стальные трубы, трубы PCCP, стеклопластиковые трубы с песочным наполнителем (RPMP), чаще всего используется раструбное соединение с резиновым уплотнением, особенно при больших диаметрах.

　　 III. Трубы HDPE сплошного сечения требуют много материала и имеют высокую стоимость

　　Трубы HDPE сплошного сечения с большой толщиной стенки приводят к высокой стоимости трубопровода.

　　В целом, нереалистично пытаться выйти на рынок напорных труб большого и среднего диаметра, основываясь на неармированных пластиковых трубах сплошного сечения. Возможности применения неармированных пластиковых труб сплошного сечения в этой области существуют только при низком давлении (например, в морских трубопроводах) или в качестве антикоррозионных вкладышей для традиционных труб.

　　Мировая индустрия пластиковых труб постоянно продвигает пластиковые трубы на рынок труб большого и среднего диаметра, среднего и низкого давления.

　　IV. Исследование повышения характеристик смол, улучшения технологического оборудования и разработки напорных труб среднего и большого диаметра

　　 1. Мировая индустрия пластикового сырья постоянно исследует способы повышения характеристик смол.

Есть надежда, что будут производиться смолы с более высокой прочностью, что позволит пластиковым трубам успешно выйти на рынок напорных труб большого и среднего диаметра. В раннем развитии смол HDPE для труб класс прочности рос довольно быстро: от PE40, PE63, PE80 до PE100 потребовалось всего 30-40 лет. Однако в течение последних двадцати с лишним лет прогресс остановился на PE100, и долгожданный PE125 до сих пор не может войти в фазу массового инженерного применения. Минимальная требуемая прочность (MRS) труб HDPE по-прежнему ограничена уровнем 10 МПа.

　　Разработка низкотекучих смол PE100 в последние годы позволила увеличить толщину стенки труб примерно до 100 мм, расширив диапазон диаметров и давлений для труб HDPE сплошного сечения. Хотя как в Китае, так и за рубежом уже существуют производственные линии для труб HDPE сплошного сечения диаметром DN2500 мм, на практике трубы большого диаметра все еще ограничены областями с низким давлением. Прочность труб из поливинилхлорида также не увеличивалась в последние годы: MRS для труб PVC-U по-прежнему составляет 25 МПа, но диаметр труб увеличился до 1200 мм и даже больше. Максимальный класс MRS для труб PVC-O в последние годы достиг 50 МПа, но в настоящее время максимальный диаметр составляет всего 800 мм. Анализируя текущую ситуацию, надежды на то, что термопластичные трубы откроют рынок напорных труб большого и среднего диаметра за счет повышения прочности пластиковых смол и улучшения технологического оборудования для труб сплошного сечения, невелики.

　　 2. Исследование сталеармированных полиэтиленовых напорных труб большого диаметра

　　По сравнению с ценами на сталь и рабочей силой, цены на пластмассовое сырье в стране долгое время были высокими. В отличие от других стран, Китай рано начал использовать сталепроволочные армированные полиэтиленовые трубы в области трубопроводов среднего и низкого давления. Основная цель заключалась в сокращении расхода смолы и снижении затрат. Среди них сталепроволочные армированные полиэтиленовые трубы (стандарт отрасли строительства CJ/T 187) применялись раньше и шире всего, в основном в диапазоне малых и средних диаметров. В последние годы максимальный диаметр достиг 1000 мм. Однако их можно соединять только электрофузионными муфтами, и чем больше диаметр, тем сложнее. В стране также есть предприятия, исследующие и разрабатывающие другие типы сталеармированных полиэтиленовых напорных труб большого и среднего диаметра, но зрелых продуктов немного. Причина заключается в том, что сталь и полиэтилен плохо склеиваются. Использование стальной проволоки в качестве армирования и связующей смолы в качестве промежуточного слоя может обеспечить относительно надежное склеивание, но характеристики интерфейса ограничены, и существуют проблемы влияния рабочей температуры на прочность склеивания и коррозии.

　　 3. Исследование армирования короткими стеклянными волокнами, использование формования намоткой плавлением вместо прямой экструзии

　　Зарубежные компании более десяти лет исследуют метод производства полиэтиленовых напорных труб большого и среднего диаметра с использованием внутреннего слоя, сформированного намоткой полиэтилена плавлением, + слоя армирования стекловолокном + внешнего защитного слоя из намотанного полиэтилена. Такие стеклопластиковые полиэтиленовые трубы (сокращенно PE-GF трубы) уже имеют инженерное применение за рубежом. В Китае также есть предприятия, ведущие разработки.

　　Труба PE-GF имеет трехслойную структуру: внутренний и внешний слои из PE100, а средний слой - из полиэтилена, армированного короткими стеклянными волокнами, сформированного методом намотки плавлением. Максимальный внутренний диаметр может достигать 4 м. Толщина стенки трубы PE-GF может быть уменьшена почти на 50% по сравнению с трубой PE100 того же класса давления. Трубы PE-GF могут соединяться методом стыковой сварки плавлением и электрофузионной раструбной сварки. Этот тип труб в последние годы применяется в Бельгии, Турции, Колумбии и Японии [2]. И уже включен в стандарты DIN и ASTM (DIN SPEC 19674 [3], ASTM F2720/F 2720M [4]).

　　Однако в настоящее время трубы PE-GF не получили широкого распространения. Известно, что в мире существует всего 9 производственных линий по производству труб PE-GF. Причина в том, что эффект армирования короткими стеклянными волокнами не идеален: значение MRS для материала PE-GF 200 высшего класса составляет всего 20 МПа, а расчетное напряжение - 12,5 МПа (DIN SPEC 19674 [3]). По сравнению с расчетным напряжением материала PE100 в 8 МПа, это всего лишь в 1,56 раза выше. Поэтому эффект в отношении сокращения расхода материалов и снижения затрат не очень заметен.

　 　4. Исследование полиэтиленовых напорных труб, армированных непрерывным стекловолокном.

　　В настоящее время непрерывноволокнистые армированные термопласты CFRT (Continuous FiberReinforced Thermoplastic) становятся одним из самых востребованных материалов в области армированных пластмасс. Материалы CFRT с высоким соотношением прочность/вес и прочность/цена быстро развиваются и распространяются из аэрокосмической и автомобильной отраслей во многие другие, включая производство труб.

　　Материалы для труб CFRT включают различные высокопрочные волокна (стекловолокно, арамидное волокно, углеродное волокно…) и различные термопласты (полиэтилен, полипропилен, полиамид, PVDF… ). Из-за соотношения цены и качества, а также простоты технологии наиболее часто используемым материалом является стекловолокно, армированное полиэтиленом.

　　Стекловолокно является богатым и недорогим сырьем с высокой прочностью, что делает его отличным армирующим материалом. Однако стекловолокно — это хрупкий силикат, обладающий низкой износостойкостью, гибкостью и устойчивостью к кручению, поэтому его необходимо предварительно пропитывать (impregnate) и покрывать полимерным материалом. Одна из причин, по которой ранее было сложно продвигать термопласты, армированные стекловолокном, заключалась в высокой вязкости термопластов в расплавленном состоянии, что затрудняло пропитку стекловолокна. В настоящее время CFRT преодолело эту проблему, позволяя полностью покрывать параллельно расположенные и непрерывные стекловолокна термопластом. Промежуточным продуктом CFRT является армированная лента.

　　В настоящее время некоторые китайские предприятия, используя импортные технологии или собственные разработки, способны производить армированные ленты CFRT из стекловолокна, армированного HDPE и PP. Характеристики продукции приближаются к уровню зарубежных аналогов. Лента из стекловолокна, армированного ПЭ, содержит 70% стекловолокна, имеет толщину 0,28-0,3 мм, прочность на разрыв достигает 505 МПа, модуль упругости — 25,7 ГПа, а относительное удлинение — 2,75%.

　　Полиэтиленовые трубы под давлением, армированные лентой из стекловолокна, обычно имеют трехслойную композитную структуру. Внутренний слой представляет собой сплошной слой из PE100, средний слой — это армирующий слой, образованный намоткой и сваркой ленты из стекловолокна, предназначенный для выдерживания внутреннего давления. Наружный слой — это защитный слой из PE100, защищающий армирующий слой трубы (включая защиту от ультрафиолета).

　　В последние годы Китай добился значительного прогресса в области композитных материалов. Он не только стал крупнейшим в мире производителем стекловолокна, но и освоил промышленное производство основного материала для труб из непрерывноволокнистого армированного термопласта — ленты из стекловолокна, характеристики которой приближаются к международному уровню. Это заложило основу для использования новых материалов в разработке высокопрочных пластиковых труб под давлением большого и среднего диаметра.

　　Предварительные экспериментальные исследования в Китае показали, что изготовление крупногабаритных термопластиковых труб под давлением методом армирования CFRT и намотки со сваркой является технологически осуществимым и конструктивно надежным, что позволяет значительно уменьшить толщину стенки и снизить расход материала. В настоящее время используемый в экспериментальной разработке армирующий материал — отечественная лента из непрерывноволокнистого полиэтилена, армированного стекловолокном, — имеет прочность на разрыв более 500 МПа (более высокие показатели могут достигать более 700 МПа), что примерно в 20 раз больше, чем прочность на разрыв PE100 (25 МПа). Поэтому в эксперименте для трубы диаметром 1000 мм и давлением 1 МПа требуется композитный слой из ленты из стекловолокна толщиной около 3 мм, чтобы обеспечить давление разрыва более 3 МПа. С экономической точки зрения стоимость композитного слоя из ленты из стекловолокна толщиной 3 мм примерно эквивалентна 9 мм PE100, а прочность — 60 мм PE100. Согласно результатам испытаний, по сравнению с трубами из PE100 того же диаметра и давления, толщина стенок труб под давлением из полиэтилена, армированных лентой из стекловолокна, может быть уменьшена более чем на 50%, а затраты — примерно на 40%.

　　 V. Препрегированные трубы из непрерывноволокнистого армированного термопласта

　　1. Препрегированные трубы из непрерывноволокнистого армированного термопласта — это наиболее конкурентоспособный и экономичный продукт на рынке. Он обладает такими непревзойденными преимуществами, как сверхвысокая прочность на разрыв, тонкие стенки, малый вес, коррозионная стойкость, термостойкость, удобство монтажа, возможность полной переработки. Он широко используется в нефтегазовой, химической, фармацевтической, курортной, водоснабжающей отраслях, особенно в условиях высоких требований к давлению, таких как горные районы, глубоководные условия, дальние расстояния. Его также можно легко использовать для ремонта старых труб методом внутренней прокладки.

　　В настоящее время ведущие компании мира занимаются разработкой таких продуктов. С созданием (Национальной нефтегазовой сети) и выходом отраслевого стандарта «Неметаллические композитные трубы для нефтегазовой промышленности, часть 2: гибкие композитные трубы высокого давления» (примечание: находится на стадии утверждения), а также расширением интеллектуальных городских сетей, можно ожидать, Препрегированные трубы из непрерывноволокнистого армированного термопласта станут наиболее влиятельными на рынке в будущем.

　　Компания «Hydrogen Technology (Jiangsu) Co., Ltd.» обладает командой опытных специалистов с высоким уровнем технических знаний, стремящихся к совершенству и готовых к трудностям. Ориентируясь на рынок и используя трудности как стимул, после многочисленных неустанных усилий, компания наконец разработала оборудование для экструзионного производства труб CFRTP и соответствующие армированные стекловолокном фитинги.

　　Разработанная компанией оборудование для экструзионного производства труб CFRTP продукция отличается привлекательным внешним видом — разработана совместно с механико-инженерным факультетом Университета науки и техники Цзянсу; широким диапазоном диаметров — трубы высокого давления (до 30 МПа) от 80 до 800 мм, трубы среднего и низкого давления (0,4-1,6 МПа) от 1000 до 4000 мм; высокой степенью автоматизации — уникальная в мире технология автоматического бесперебойного соединения ленты позволяет автоматически менять катушки с лентой без остановки оборудования, значительно повышая производительность; высокой прочностью — в основном оборудовании используются самые современные высокоскоростные и высокоэффективные шнеки, европейские высокомоментные редукторы, высокоэффективные долговечные нагреватели, бесконтактные твердотельные реле, высокопрочные металлические покрытия, программное обеспечение Siemens PLC; вакуумная камера оснащена системой частотно-регулируемого вакуумного управления, автоматической системой контроля уровня и температуры воды, трубопроводы оснащены европейскими сверхбольшими фильтрами для воды, обеспечивающими длительную бесперебойную работу; тянущее устройство оснащено серводвигателями с постоянным крутящим моментом, несколькими гусеницами, работающими синхронно, что увеличивает крутящий момент и обеспечивает круглую форму трубы; резак оснащен технологией бесщепной резки, которая обеспечивает бесшумную и бесщепную работу, а также ровный и красивый срез.

　　 оборудование для экструзионного производства труб CFRTP Внутренний слой труб производится непрерывным методом экструзии HDPE, средний армирующий слой из стекловолокна производится методом многослойной перекрестной намотки, а затем наружный слой непрерывно экструдируется. Продукция может быть изготовлена заданной длины (6 м, 9 м, 12 м) или непрерывно до необходимой длины без остановки оборудования.

　　Компания также владеет рядом патентов (находящихся на стадии подачи заявки) на технологии склеивания стекловолокна и пластика, намотки стекловолокна, автоматического бесперебойного соединения стекловолокна, автоматической круглой формы, онлайн-обработки труб, производства фитингов, электромуфтовой сварки труб.

　　 1 Предисловие

　　Водородная энергия как новый вид экологически чистого, обильного и широко используемого источника энергии становится мощным инструментом для достижения зеленого и низкоуглеродного перехода на конечных энергопотребителях. Будучи стратегической и перспективной отраслью развития энергетики будущего, водородная энергетика имеет огромное значение для достижения целей «пика выбросов углерода» и «углеродной нейтральности», а также для революции в производстве и потреблении энергии. По прогнозам Международного водородного совета, к середине нынешнего столетия 18% мирового конечного потребления энергии будет приходиться на водородную энергию. В настоящее время во всем мире ускоряются темпы развития водородной энергетики. Первой страной, начавшей развивать водородную энергетику, стала Япония, где в 1973 году была создана Ассоциация водородной энергетики, а в 2017 году была опубликована первая в мире национальная стратегия в области водородной энергетики — «Основная стратегия водородной энергетики». В 2014 году США опубликовали «Всеобъемлющую энергетическую стратегию», ранее уже определив четырехэтапный план развития национальной водородной энергетики. Ожидается, что к 2050 году водородная энергия будет составлять 14% от конечного потребления энергии в США. Кроме того, такие развитые страны и регионы, как Россия, Германия, Европейский союз и Южная Корея, также приняли соответствующие меры для содействия развитию водородной энергетики.

　　В настоящее время в полной производственно-сбытовой цепочке водородной энергетики («производство-хранение-транспортировка-использование») затраты на хранение и транспортировку составляют около 30-40% от общей стоимости и являются основным препятствием для крупномасштабного развития водородной энергетики. Тщательный анализ текущего состояния технологий хранения и транспортировки водорода и прогнозирование будущих тенденций имеют важное значение для широкого применения водородной энергетики.

　　 2 Состояние водородной энергетики

　　2.1 Текущее состояние и прогноз развития водородной энергетики в мире

　　Основные развитые страны мира уделяют большое внимание развитию водородной энергетики. Ключевые основные технологии водородной энергетики приближаются к зрелости, а строительство инфраструктуры водородной энергетики значительно ускоряется.

　　Развитые страны, уделяющие большое внимание развитию водородной энергетики, такие как США, Япония и Германия, последовательно принимают соответствующие стимулирующие меры. В «Дорожной карте водородной экономики» США указывается, что к 2025 году количество водородных топливных элементов в США достигнет 200 000, а к 2030 году — 530 000. В «Европейской дорожной карте водородной энергетики: устойчивый путь к энергетическому переходу в Европе» указывается, что к 2030 году количество легковых автомобилей с водородными топливными элементами в ЕС достигнет 370 000. В «Основной стратегии водородной энергетики» Японии указывается, что к 2025 году годовой объем производства легковых автомобилей с водородными топливными элементами в Японии должен составить 200 000, а к 2030 году — 800 000.

　　Что касается Китая, то, будучи крупнейшим в мире производителем водорода с годовым объемом производства около 33 000 000 тонн, он обладает огромным потенциалом в области экологически чистого и низкоуглеродного производства водорода. По прогнозам Китайского союза водородной энергетики, объем производства водородной энергетики в Китае к 2025 году достигнет 1 трлн юаней; к 2030 году потребность составит 35000000 тонн, что составит более 5% от конечной энергетической системы Китая; к 2050 году потребность достигнет почти 60000000 тонн, что позволит сократить выбросы углекислого газа примерно на 700 млн тонн, а доля в конечной энергетической системе составит более 10%, а годовой объем производства составит 12 трлн юаней. 10 апреля 2023 года компания Sinopec объявила о планах построить опытный водородный трубопровод «Запад-Восток» протяженностью более 400 км и включить его в «План реализации строительства национальной сети нефти и газа», что ознаменовало начало первого в стране проекта по созданию магистрального газопровода для чистой транспортировки водорода. Протяженность трубопровода составляет более 400 км, начальная пропускная способность — 100 000 тонн в год, а в перспективе — 500 000 тонн в год. После завершения строительства он будет использоваться для замены существующего производства водорода из ископаемого топлива и водородного транспорта в районе Пекина-Тяньцзинь-Хэбэй, что значительно улучшит проблему несоответствия спроса и предложения на зеленый водород в Китае. 16 апреля того же года компания CNPC добилась важного прорыва в области дальних перевозок водорода по существующим газопроводам, что может эффективно поддержать будущие крупномасштабные, низкозатратные и дальние перевозки водорода в Китае. Компания CNPC провела полевые испытания на демонстрационном проекте трубопровода с добавлением водорода в природный газ в Нинся Ниндун, и доля водорода в природном газе на этом трубопроводе длиной 397 км постепенно достигла 24%, обеспечив безопасную и стабильную работу в течение 100 дней.

　　По статистике, общая протяженность запланированных (включая уже построенные) водородных трубопроводов в Китае превышает 1800 км. В соответствии с планом развития водородной энергетики, к 2030 году общая протяженность магистральных водородных трубопроводов достигнет 3000 км.

　　2.2 Система стандартов водородной энергетики Китая

　　Развитие и строительство водородной энергетики в Китае начались позже, чем в развитых странах, и соответствующие нормы и стандарты нуждаются в совершенствовании. В 2023 году в Китае был выпущен «Руководящий документ по созданию системы стандартов водородной энергетики (версия 2023 года)», который является первым в стране руководящим документом по созданию системы стандартов водородной энергетики по всей производственно-сбытовой цепочке. Система стандартов водородной энергетики основана на базовых и безопасных стандартах, поддерживающих ключевые технологические стандарты для производства, хранения, транспортировки, заправки и применения водорода по всей производственно-сбытовой цепочке. Базовые и безопасные стандарты находятся на вершине структуры системы стандартов водородной энергетики и являются основой для стандартов водородного снабжения и применения водорода. Стандарты производства водорода, хранения и транспортировки водорода, заправки водорода составляют стандарты водородного снабжения и являются основой для стандартов применения водорода. Структура системы стандартов водородной энергетики показана на рисунке 1.

 

 

　　Структура системы стандартов водородной энергетики состоит из пяти частей: базовые и безопасные стандарты, производство водорода, хранение и транспортировка водорода, заправка водорода и применение водорода, как показано на рисунке 2.

 

 

　　 3 Технологии хранения водорода

　　Технология хранения водорода является ключевым звеном в системе применения водородной энергии и одним из факторов, сдерживающих широкое применение водорода. Обеспечение стабильного и безопасного решения для хранения водорода в процессе применения водородной энергии является первоочередной гарантией для удовлетворения текущих и будущих потребностей в широком применении водородной энергии. В соответствии с физическими свойствами водорода, в настоящее время ученые делят основные методы хранения водорода на четыре категории: хранение водорода в сжатом газообразном состоянии под высоким давлением, хранение водорода в сжиженном состоянии при низкой температуре, хранение водорода в органической жидкости и хранение водорода в твердом состоянии. Преимущества и недостатки различных технологий хранения водорода приведены в таблице 1.

　　3.1 Хранение водорода в газообразном состоянии

　　Поскольку водород имеет очень малую относительную молекулярную массу и низкую плотность, хранение в газообразном состоянии при нормальной температуре невозможно, поэтому хранение водорода в газообразном состоянии осуществляется в основном под высоким давлением. Сжатие молекул газообразного водорода до высокой плотности под высоким давлением, а затем хранение высокоплотного газа в высокопрочных сосудах является наиболее распространенным методом хранения водорода и стало одним из наиболее конкурентоспособных методов хранения водорода в транспортных средствах. Рабочее давление сосудов для хранения водорода под высоким давлением составляет 15,2-70,9 МПа, и технологии относительно зрелые. В таблице 2 показаны типы сосудов для хранения водорода под высоким давлением, разработанные в настоящее время. Плотность хранения водорода в сосудах типа I и II низкая, а проблема водородной хрупкости серьезная. Плотность хранения водорода в сосудах типа III и IV относительно высока, и они часто используются в области хранения водорода в транспортных средствах. В настоящее время большинство водородных заправок в Китае используют метод хранения водорода под высоким давлением.

 

 

 

　　3.2 Хранение водорода в жидком состоянии

　　При хранении водорода в жидком состоянии обычно используются два метода: хранение водорода в сжиженном состоянии при низкой температуре и хранение водорода в органической жидкости.

　　3.2.1 Хранение водорода в сжиженном состоянии при низкой температуре

　　Способ хранения газообразного водорода в жидком состоянии путем его сжатия и глубокого охлаждения до температуры ниже -253℃, а затем помещения в изолированный вакуумный накопительный резервуар, называется низкотемпературным хранением жидкого водорода, что является физическим методом хранения. Жидкий водород обладает высокой плотностью хранения, достигающей 70,9 кг/м3 при атмосферном давлении, что в 856 раз превышает плотность водорода в стандартных условиях, и имеет большую объемную удельную емкость, что дает ему значительные преимущества при крупномасштабном и дальнем хранении и транспортировке водородной энергии. Однако процесс сжижения водорода потребляет много энергии; по оценкам, для сжижения 1 кг водорода требуется 4-10 кВт·ч электроэнергии. Кроме того, из-за очень низкой температуры кипения водорода он легко испаряется, поглощая тепло во время хранения. Поэтому для хранения жидкого водорода требуются специальные контейнеры, способные выдерживать сверхнизкие температуры, поддерживать сверхнизкие температуры, быть устойчивыми к давлению и иметь высокую герметичность, что делает производство сложным и дорогостоящим. Это также является основной проблемой, ограничивающей низкотемпературное хранение жидкого водорода.

　　Жидкий водород, являющийся основным топливом для больших ракет, в настоящее время часто используется в аэрокосмической отрасли. Из-за незрелости исследований в этой области в нашей стране и высокой стоимости применения, он в настоящее время редко используется в гражданском секторе. С развитием технологий, с 2021 года государство последовательно выпустило три национальных стандарта, связанных с жидким водородом: GB/T 40045-2021 «Жидкий водород в качестве топлива для водородных автомобилей», GB/T 40060-2021 «Технические требования к хранению и транспортировке жидкого водорода» и GB/T 40061-2021 «Технические спецификации для систем производства жидкого водорода», что ознаменовало «прорыв с нуля» в стандартах для китайской промышленности жидкого водорода в гражданском секторе и обеспечило мощную поддержку для коммерциализации промышленности жидкого водорода.

　　3.2.2 Органическое жидкостное хранение водорода

　　Концепция органического жидкостного хранения водорода восходит к 1975 году. Органическое жидкостное хранение водорода — это метод хранения водорода с использованием органических жидкостей-носителей водорода (LOHC), которые могут реагировать с водородом, образуя стабильные носители водородной энергии. Этот метод использует обратимые процессы гидрирования и дегидрирования ненасыщенных органических жидкостей для хранения и высвобождения водорода; эталонный процесс показан на рис. 3. Плотность гравиметрического хранения водорода в органическом жидкостном хранении составляет примерно 5%-10%, с относительно большой емкостью хранения, а среда хранения представляет собой жидкое органическое вещество, которое также может транспортироваться при комнатной температуре и давлении во время хранения, что делает его более безопасным, чем газообразное хранение. Наиболее изученными средами для жидкостного хранения водорода являются углеводороды, такие как бензол, толуол, нафталин, и органические жидкостные материалы для хранения водорода, такие как этилкарбазол. Соответствующая информация и свойства приведены в таблице 3. Соответствующие технологии в нашей стране все еще находятся на стадии исследования и пока не получили широкого распространения.

 

 

 

　　3.3 Твердотельное хранение водорода

　　«Высокая плотность хранения водорода, быстрые характеристики адсорбции/десорбции и долгосрочная циклическая стабильность» являются основными требованиями к идеальным материалам для хранения водорода. По сравнению с несколькими другими методами хранения водорода, твердотельное хранение водорода имеет относительно высокую плотность хранения и более высокую безопасность, обладая большим потенциалом для достижения целей Международного энергетического агентства (МЭА). В зависимости от различных сил взаимодействия между адсорбентом и адсорбатом, твердотельные материалы для хранения водорода можно разделить на две основные категории: физическая адсорбция и химическая адсорбция. Среди них материалы для физической адсорбции включают традиционные пористые материалы на основе углерода, мезопористые материалы, металлоорганические каркасы (MOFs), ковалентные органические каркасы (COFs) и т. д. Физическая адсорбция в основном достигается за счет относительно слабых сил Ван-дер-Ваальса, требует более высокого адсорбционного давления и может быть реализована только при более низких температурах (77K). Углеродные материалы для хранения водорода в основном включают активированный уголь, активированные углеродные волокна, углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки и углеродные аэрогели и т. д. В таблице 4 приведены характеристики хранения водорода для 4 типов углеродных материалов.

 

 

　　Из таблицы 4 видно, что в условиях комнатной температуры гравиметрическая плотность хранения водорода в графитовых углеродных нановолокнах является самой высокой среди трех других материалов, превышая 10%, что объясняется их особой структурой. Однако углеродные материалы предъявляют относительно строгие требования к условиям процесса адсорбции водорода, имеют значительные ограничения в промышленном применении и пока не получили широкого распространения.

　　Химическая адсорбция обеспечивает хранение водорода путем образования гидридов посредством металлических, ковалентных, координационных связей и т. д. Материалы для химической адсорбции включают гидриды металлов, комплексные гидриды, гидраты водорода и др. Среди них гидриды металлов, такие как сплавы на основе магния, сплавы на основе редкоземельных металлов и титановые сплавы, часто характеризуются кривыми давления-состава-температуры (PCT-кривыми) для описания их термодинамических свойств абсорбции и десорбции водорода, как показано на рисунке 4. На рисунке горизонтальная ось представляет отношение атомов водорода к атомам металла, а вертикальная ось — давление водорода. Сегмент AB на рисунке обозначает эффективную емкость хранения водорода; при определенных температурных условиях равновесное давление водорода остается приблизительно постоянным, и по мере повышения температуры сегмент AB постепенно сокращается. Следовательно, слишком высокие температуры не способствуют протеканию реакций абсорбции водорода. PCT-кривая является важным показателем для измерения характеристик хранения водорода, который может напрямую отражать обратимую емкость хранения водорода, равновесное давление водорода, наклон плато и эффект гистерезиса материалов для хранения водорода.

 

 

　　В отличие от гидридов металлов, координационные гидриды представляют собой соли, где атомы водорода ковалентно связаны с центральным атомом комплексного аниона, образуя комплексный анион, который затем соединяется с ионом металла ионной связью, образуя гидрид. Гидриды обычно представляются химической формулой AMeH, где A обычно является элементом первой или второй группы периодической таблицы, а Me обычно B, Al, N. Теоретическая массовая плотность хранения водорода составляет 5,5%~21%. Высвобождение водорода из координационных гидридов обычно происходит двумя способами: гидролизом или пиролизом.

　　 4 Технология трубопроводной транспортировки водородной энергии

　　Поскольку водородная энергия является ключевым направлением развития будущих новых источников энергии, безопасность, эффективность и стоимость ее хранения и транспортировки являются основными узкими местами, сдерживающими ее крупномасштабное развитие, а также горячими и ключевыми темами исследований как внутри страны, так и за рубежом. Учитывая, что трубопроводная транспортировка долгое время считалась низкозатратным методом для крупномасштабной транспортировки сред, данный анализ сосредоточен исключительно на нескольких возможных методах трубопроводной транспортировки водородной энергии.

　　4.1 Транспортировка водорода по трубопроводам высокого давления

　　Водород и метан обладают схожими свойствами, и при проектировании трубопроводов для транспортировки водорода высокого давления можно опираться на опыт строительства газопроводов. Однако, по сравнению с метановой средой, водородная среда может привести к ухудшению механических свойств трубопроводной стали. Многие исследования и экспериментальные проекты показали, что растворение и диффузия атомов водорода в металлической решетке может вызвать деградацию свойств металлических материалов, обезуглероживание и даже повреждения, такие как вспучивание или растрескивание. По сравнению с отраслью транспортировки природного газа, для трубопроводов, работающих с водородом при комнатной температуре и высоком давлении, еще не сформированы единые стандарты проектирования и выбора материалов. Однако с течением времени в последние годы страны по всему миру постепенно начинают развивать технологии хранения и транспортировки водородной энергии, предлагая проектные решения для дальних трубопроводов для чистого водорода и водородных смесей под давлением более 10 МПа.

　　Для обеспечения безопасности транспортировки сжатого водорода по трубопроводам необходимо принимать меры против водородной хрупкости, используя трубы из низкопрочной стали с низкой чувствительностью к водородной хрупкости или снижая давление транспортировки водорода. Это также приводит к тому, что стоимость строительства водородных трубопроводных систем выше, а экономическая эффективность ниже, чем у газовых трубопроводных систем. В литературе указывается, что стоимость строительства водородных трубопроводов составляет около 620 000 долларов США/км, а стоимость строительства газовых трубопроводов составляет всего 190 000 долларов США/км, то есть стоимость водородных трубопроводов примерно в 3 раза выше, чем у газовых. Одновременно, из-за высокой стоимости производства водорода и низкой плотности энергии, по сравнению с традиционными ископаемыми видами топлива, водород пока неконкурентоспособен. В настоящее время цена водорода на действующих водородных заправках в Китае составляет в среднем 60-80 юаней/кг, что не имеет явного преимущества по сравнению с бензином, дизельным топливом и электромобилями, и в краткосрочной перспективе может поддерживаться только за счет субсидий, что в долгосрочной перспективе не может решить коренных проблем развития отрасли. Ожидается, что только когда цена водорода на водородных заправках упадет ниже 40 юаней/кг, водородная энергетика сможет действительно перейти к «рыночному стимулированию».

　　Несмотря на вышеуказанные проблемы, технология транспортировки сжатого водорода по трубопроводам имеет низкий технологический порог и является наиболее зрелой, поэтому она по-прежнему является приоритетным вариантом транспортировки водорода при строительстве новых магистральных водородных трубопроводов. В глобальном масштабе, по неполным данным, в настоящее время общая протяженность водородных трубопроводов составляет около 4700 км (см. таблицу 5). В США построено 2720 км водородных трубопроводов, а в Европе — более 1500 км.

 

 

　　4.2 Транспортировка водорода по газопроводам

　　Добавление определенного процента водорода в газопроводы считается одним из перспективных способов крупномасштабной транспортировки водорода. Некоторые ученые считают, что с учетом существующих способов транспортировки водорода, транспортировка чистого водорода по магистральным трубопроводам и транспортировка водорода в смеси с природным газом являются наиболее перспективными технологиями для создания крупномасштабной сетевой системы транспортировки водорода, особенно с учетом незначительной модернизации существующих газовых сетей для транспортировки водорода в смеси с природным газом, что может значительно сократить затраты на строительство инфраструктуры. Одной из задач развития водородной энергетики в Китае в среднесрочной перспективе (2020-2030 гг.) является демонстрационное применение технологии транспортировки водорода в смеси с природным газом по трубопроводам, что заложит основу для перехода к «водородной эре» без выбросов углерода. В таблице 6 приведены данные о некоторых типичных проектах по транспортировке водорода в смеси с природным газом в Китае и за рубежом.

　　Транспортировка водорода в смеси с природным газом по трубопроводам позволяет использовать существующие газовые трубопроводы, снижая первоначальные затраты на строительство водородных трубопроводов, что может компенсировать недостатки низкой объемной энергетической плотности газообразного водорода, а также позволит изучить другие проблемы транспортировки газообразного водорода в условиях практического применения. В настоящее время некоторые ученые провели исследования по изучению осуществимости транспортировки водорода в смеси с природным газом по трубопроводам, академик Китайской инженерной академии И Баолян также очень оптимистично оценивает перспективы транспортировки водорода в смеси с природным газом. Однако при решении вопросов применимости для потребителей необходимо также изучить влияние доли водорода на состояние потока жидкости в трубе и соответствующие технологические решения, исследовать приспособляемость материалов и оборудования трубопроводов к транспортировке водорода в смеси с природным газом, повысить безопасность и экономическую эффективность транспортировки водорода в смеси с природным газом.

　　4.3 Транспортировка жидкого водорода по трубопроводам

　　Транспортировка жидкого водорода, как следует из названия, заключается в высокоплотной транспортировке газообразного водорода при нормальной температуре и давлении путем охлаждения и сжатия. При выборе материалов для трубопроводов для обеспечения теплоизоляции и низкотемпературных характеристик материалов в основном используются нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и композитные материалы, обладающие превосходными антиводородными свойствами, хорошими низкотемпературными характеристиками, сварными свойствами и коррозионной стойкостью. В настоящее время аустенитная нержавеющая сталь марки 300 широко используется в емкостях для хранения и транспортировки жидкого водорода, например, в 300-кубовом транспортном резервуаре для жидкого водорода на космодроме Хайнань используется нержавеющая сталь марки 321. По сравнению с нержавеющей сталью, алюминиевые сплавы обладают преимуществами в массе, формообразуемости, сварных свойствах и коррозионной стойкости, и уже применяются в резервуарах для жидкого водорода ракет в Китае и за рубежом.

　　Из-за ограничений, связанных со стоимостью строительства трубопроводов для транспортировки жидкого водорода и отсталости технологий, практически невозможно осуществить крупномасштабную транспортировку жидкого водорода на большие расстояния. В настоящее время транспортировка жидкого водорода на большие расстояния может осуществляться только путем размещения жидкого водорода в специальных емкостях для хранения, таких как высокотемпературные криогенные изолированные резервуары для хранения водорода, цистерны для транспортировки жидкого водорода, с использованием автоцистерн, железнодорожных цистерн, барж и т. д., и пока нет примеров транспортировки жидкого водорода по трубопроводам на большие расстояния. Основными проблемами транспортировки низкотемпературного жидкого водорода по трубопроводам являются снижение стоимости строительства трубопроводов для транспортировки жидкого водорода и быстрое предварительное охлаждение трубопроводов для транспортировки жидкого водорода на большие расстояния. Транспортировка низкотемпературного жидкого водорода по трубопроводам имеет хорошие перспективы. Однако в настоящее время она больше подходит для использования в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, где жидкий водород используется в качестве высокоэнергетического топлива, в качестве способа транспортировки на короткие расстояния, и пока не может рассматриваться как разумный вариант для крупномасштабной транспортировки водорода.

 

 

　　 Заключение

　　Развитие водородной энергетики является важным направлением глобальной энергетической революции, важным средством достижения целей «пика выбросов углерода» и «углеродной нейтральности», стратегическим выбором для обеспечения чистой энергии в стране. Все страны мира стремятся к быстрому развитию водородной энергетики, и расширение масштабов водородной энергетики стало общим мнением. Сравнение развития водородной энергетики в Китае и за рубежом показывает, что водородная энергетика в Китае начала развиваться сравнительно поздно, и по сравнению с зарубежными странами существует определенный разрыв в основных технологиях. Необходимо совершенствовать национальную схему развития водородной энергетики в Китае и как можно скорее создать национальную систему рынка водородной энергетики. Одним из ключевых звеньев развития водородной энергетики является хранение и транспортировка водорода, технологии хранения водорода являются важным узким местом, сдерживающим крупномасштабное промышленное развитие водородной энергетики, технологии транспортировки водорода являются важным средством для соединения ресурсов водорода с рынком водорода и основным звеном снижения стоимости использования водорода.

　　Источник: Государственная корпорация по управлению газовыми сетями, компания Май Айд

　　Редактор: FAN | Рецензент: HOHO

　　Автор: Цюй Чжэньин