向绿色可再生能源转型以应对气候变化的需求是明确的。
引言
在寻找替代能源的过程中，绿色氢能已成为一种有前景的清洁能源，适用于各种运输方式，并可长期储存。然而，如果没有安全高效的氢能运输基础设施，绿色氢能经济将无法成功。
氢气的生产、处理和储存过程在工业界已相当成熟。然而，基础设施的发展，特别是氢气的运输，在选择合适的管道材料方面提出了新的挑战。工业界面临的关键问题包括：管道材料的最佳选择，以及以安全方式运输绿色氢能的最佳走廊路线。
对于大量输送，通过管道运输氢气是最有效的方式。高压气态氢是目前最常见的运输方式。长距离传输管道用于在生产设施和接收站之间输送高压氢气。短距离配送管道用于在加氢站和最终用户之间输送中低压氢气。
氢气管道材料需考虑的因素
出于安全性和效率的考虑，必须考虑氢气管道材料对氢气和外部环境的敏感性。接触氢气会降低金属的机械性能，并容易造成材料疲劳，导致金属在低应力下开裂。氢气对材料（尤其是金属）的影响主要有三种：
- 材料韧性降低，
- 延展性降低，以及
- 裂纹扩展速率增加。
金属因吸收氢气而导致延展性降低的现象，称为氢助开裂、氢致开裂或氢脆。氢脆是金属的一种退化机制；其严重程度取决于温度。虽然脆化效应发生在零下100至零上100摄氏度之间，但在室温附近达到最大值。大多数金属在大约150摄氏度以上时相对不受氢脆影响。非金属材料，如增强热塑性塑料管（RTP）和纤维增强聚合物（FRP），已被开发用于输送中低压氢气，以管理氢气对金属的影响。
氢气运输过程中的外部环境或变化条件可能导致管道材料的意外退化。为确保安全处理氢气，运营商必须考虑外部环境对氢气的影响。例如，在潮湿干燥的沿海和工业区，氯化物与湿度和阳光结合可能导致不锈钢的应力腐蚀开裂。因此，可能需要加固不锈钢或为金属表面建造适当的防护层。埋地管道也可能需要根据土壤条件进行特殊考虑。
国际标准，如欧洲工业气体协会（EIGA）Doc121/04，为在各种条件、压力及氢气成分下选择合适的材料提供了指导。
规划氢气走廊路线需考虑的因素
由于氢气分子尺寸小，与其他气体相比，它更容易发生泄漏问题。国际标准，如美国石油协会（API）制定的标准，规定了氢气安全处理的焊接要求、泄压装置的选择和安装。欧洲工业气体协会（EIGA）也为地上和地下氢气管道提供了指导方针。
必须进行危害分析和风险评估，以确定氢气管道的路线和走廊。每套新的氢气运输管道系统的设计、建造和运营都必须确保对人员、财产和环境造成的额外风险处于可接受限度内。为此，应对每套新管道系统或对现有系统的重大改造进行安全分析。安全分析是一种被证实的方法，用于评估管道系统对环境的风险、环境对管道的风险，并确定在管道设计、建造和运营过程中应采取的措施，以降低异常事件发生的概率及其后果。
安全分析的详细程度取决于管道路线周围的人口密度、事件的潜在严重性以及事件发生的可能性。安全评估中通常使用的方法是确定个人风险，并证明其在可接受限度内。在进行安全分析和确定可接受限度之前，应参考当地法规。
EIGA Doc121/04 提供了氢气控制和隔离或计量站的典型安全距离。
还应为氢气管道走廊制定预防性维护计划。应进行定期检查，以确保管道的完整性以及阴极保护系统按预期运行。
案例研究：新加坡氢气管道用于碳减排
作为其长期低排放发展战略（LEDS）的一部分，新加坡的目标是到2030年显著将其碳排放水平降至约6000万吨二氧化碳当量，并到2050年实现净零排放。
新加坡政府一直在大力推动在该岛国几乎所有可用的屋顶、空地和水库上安装太阳能电池板。当局还推动工业界采用更绿色的能源，如绿色氢能。这为工业界在氢气的生产、储存、运输和加注链中提供了良好的商业机会。下一节将讨论从来源国到新加坡的氢气运输及其在新加坡境内的配送。
用于氢气运输的氢载体
为了成功向绿色氢能转型，氢气的运输是非常重要的一步。氢气从来源地到最终用户的运输可分为两部分：
- 从来源地到新加坡的大容量、跨国输送；以及
- 从登陆点到新加坡境内各最终用户的配送。
运输方式可分为两大类：
- 高压氢气输送管道；以及
- 通过不同载体的运输。
通过不同载体的运输方式又可细分为四种主要方法：
- 压缩氢气（CH2）。氢气通常被压缩到700巴（表压），体积增大约700倍，并储存在为运输超高压氢气而建造的钢瓶中。
- 液化氢气（LH2）。氢气在低温条件下被液化至零下253摄氏度，体积增大约848倍，并储存在适用于极低温度的低温储罐中。
- 化学结合氢载体，如氨、甲醇和液态有机氢载体（LOHC）。氢气在运输到新加坡之前，通过氢化过程与这些化学载体结合。氢气到达目的地后，通过脱氢过程从其载体中提取。在大多数情况下，氢化过程中释放热量，而脱氢过程需要热量。
- 固态氢载体，如金属氢化物和其他通过物理吸附的纳米材料载体。它们通常在室温下30-50巴（表压）的低压下运行。固态氢载体不是化学结合的，因此提取氢气只需最少的能量。然而，目前市售的固态氢载体容量低或技术成熟度仍较低。因此，它们在商业实施的讨论中并未被广泛提及。
运输方式选择的考虑因素
在采用运输方式之前，应考虑以下因素：
基于上述考虑，最适合新加坡氢气进口的载体可能是氢气输送管道。然而，采用氢气输送管道向新加坡进口氢气存在诸多缺点，包括：
- 氢气供应仅限于来源国。考虑到物流安全和氢气不间断供应，这可能不是最佳选择。为确保供应安全，管道选项应与其他航运载体选项相结合，以实现全球氢气来源的多元化。
- 根据广泛研究，超过1000公里的输气管道资本支出和运营支出将呈指数级增长，当供应来源距离新加坡超过1000公里时，经济性降低。
- 管道必须得到良好保护，以防第三方损坏，尤其是在近岸区域。近年来，已观察到在深水区受到良好保护的管道也可能在紧急情况下遭到第三方破坏。
新加坡现有天然气输送管道
根据新加坡能源市场管理局（EMA）的数据，2021年新加坡进口的天然气量为1060万吨油当量（更具体地说，通过海底天然气管道进口740万吨油当量，通过液化天然气船进口320万吨油当量）。从2020年到2021年的进口增长率为4.1%。1060万吨油当量的总进口量约为11.9亿标准立方英尺/天（即管道天然气8.3亿标准立方英尺/天，液化天然气3.6亿标准立方英尺/天）。新加坡主要的天然气注入点如下图所示。
天然气注入点如下：
- 来自苏门答腊管道天然气的Sakra天然气接收站；
- 来自西纳土纳管道天然气的Sakra ORF；
- 来自马来西亚管道天然气的Attap Valley ORF；以及
- 来自世界各地各种来源的SLNG接收站。
从上图可以看出：
- 除了新加坡北部的Senoko发电站外，所有发电站都位于裕廊岛和大士地区。
- 所有天然气输送管道都在裕廊岛和大士地区内，集中在该西部地区，为Senoko发电站和Senoko煤气厂供气。
根据当地新闻报道，来自苏门答腊和西纳土纳的管道天然气供应将于2028年终止。此后，新加坡的天然气供应将需要由SLNG接收站或未来五年内开发的新注入点来支持。
通过输送管道向新加坡供应绿色氢气的考虑因素
在开始铺设新加坡氢气输送管道之前，必须考虑潜在的最终用户、现有基础设施和其他因素：
- 氢气供应来源：根据资本支出和运营支出的考虑，新加坡的氢气供应预计将来自马来西亚、印度尼西亚、泰国、柬埔寨、老挝和越南等东南亚国家，基于1000公里的海底输气管道最佳距离。这一预测的前提是来源国拥有稳定、持续、全天候的可再生电力供应（如水力发电），以确保绿色氢气的持续供应。
- 海底氢气输送管道的登陆点：氢气管道登陆点最好靠近新加坡现有的液化天然气接收站，以便纯氢可以进口并分配到新的氢气管网，或与SLNG接收站的天然气混合，通过现有的天然气供应网络输送。建议选择此登陆点，是考虑到2028年来自苏门答腊和西纳土纳的两个管道天然气供应源即将终止。
- 新加坡氢气配送天然气供应网络：如上图网络图所示，现有的天然气输送管道是为天然气输送而设计的。它们很可能不适合输送100%纯氢。然而，它们很可能适合输送氢气混合比为10-30%的天然气-氢气混合气，正如全球许多国家所实践的那样。鉴于上述限制，新的氢气输送管道可以沿着这些现有天然气管道铺设，让最终用户可以选择使用天然气或氢气，或在自有设施内自行混合以满足其设备要求。
在新加坡铺设氢气输送管道进行配送面临的挑战：
在铺设通往新加坡及新加坡境内的氢气输送管道之前，应考虑以下挑战：
- 高人口密度：新加坡是一个非常小且人口密集的城市国家。几乎该国的每一部分都位于或将在不久的将来位于城市区域内。因此，氢气输送管道的设计必须格外严格，超出规范要求，因为国际上没有多少公认的规范会允许高压氢气输送管道穿越人口密集区域，这是由于氢脆和气体泄漏的可能性。
- 拥挤的地下设施：由于新加坡土地有限，几乎所有公用事业设施都铺设在地下公共道路下。这给氢气输送管道的铺设带来了挑战，难以按照要求的弯曲半径铺设，以满足管道清管作业的需要。除了铺设困难外，其他服务提供商在同一道路宽度内的施工也可能导致氢气管道遭受第三方损坏。
- 为其他基础设施开发而频繁改线：由于新加坡土地有限，地下设施经常被规划改线，以允许其他大型基础设施项目，如新高速公路、地铁和快速交通系统的建设。与天然气不同，氢气的最小点火能量（MIE）极低，约为0.019毫焦，且可燃范围极宽，为4-75%（爆炸下限~爆炸上限）。这导致在进行鞍形三通焊接和热切割开孔作业时，为改线而进行的热开孔和管线封堵操作风险极高。操作中任何轻微的人为失误都可能导致灾难性事故。改线作业中，替代热开孔、管线封堵和旁通的方案是关闭管道并清除管道中的所有氢气，但这会对最终用户造成重大影响。
- 加臭要求：为保护公众安全，新加坡要求对易燃易爆气体进行加臭。然而，加臭后的氢气不适合燃料电池用户使用，因为氢气的纯度必须至少达到99.970%-99.999%。这将使需要使用燃料电池发电的移动车辆和其他工业用户无法使用氢气作为燃料。
结论
当今的研究集中在克服技术问题，例如：
- 氢气使制造管道的钢材和焊缝产生氢脆的可能性；
- 控制氢气渗透和泄漏的需要；
- 对成本更低、更可靠、更耐用的氢气压缩技术的需求。
快速扩展氢气输送基础设施的一种可能性是改造部分天然气输送基础设施以适应氢气。将天然气管道改造为输送天然气和氢气的混合物（氢气含量最高约15-20%）似乎是最具成本效益的选择，只需对管道进行适度改造。将现有天然气管道改造为输送纯氢可能需要更实质性的修改，因此成本高昂。无论运营商选择完全改造现有资产以输送氢气，还是引入氢气混合气，法规要求都规定了一系列准备行动，例如进行危害分析、风险评估和安全评估。
氢气的安全性自然与其特性相关：着火极限、扩散速率、泄漏率以及氢气与材料的相互作用。关于氢气对其他材料的降解和相互作用，重要的是要了解存在的任何微量元素（无论是有意或无意添加的）的影响，以及氢气的纯度和成分。
国际标准化组织包括国际氢能技术委员会（ISO/TC197）、欧洲工业气体协会（EIGA）—氢气输送管道、美国机械工程师协会（ASME）ASMEB31.12-2014《氢气管道》和CGAG-5.6-2005《氢气管道系统》。这些组织规定了氢能生产、储存、运输、测试和使用的标准。