《储运环节氢泄漏风险评估：哥伦比亚大学能源中心揭秘能源转型关键技术挑战》
本文来源：HYDROGEN LEAKAGE: A POTENTIAL RISK FOR THE HYDROGEN ECONOMY
氢有望在能源系统脱碳中发挥关键作用。截至 2022 年 6 月，全球各国政府已发布了 30 多项氢战略和路线图。由于氢是最小的分子，很容易穿透材料，因此被认为是一个潜在的安全问题。然而，迄今为止，由于氢通过延长甲烷和其他温室气体（GHG）在大气中的寿命而产生的间接全球变暖效应，氢泄漏对气候变化的潜在影响很少受到关注。文献分析显示，现有价值链中关于氢泄漏的数据非常少，而现有的数据来自理论评估、模拟或推断，而不是实际操作中的测量。随着氢的生产方法和用途的演变，关于未来氢能经济关键部分的数据更少。未来，泄漏的氢可能集中在几个关键过程中（例如，绿色氢生产、运输、公路运输和化学生产）。未来泄漏率可能增加，主要是因为到 2050 年将成为关键的泄漏过程目前尚未大规模存在。根据国际能源署（IEA）净零排放情景（到 2050 年为 5.28 亿吨）（IEA，2021 年）的氢需求，高风险情景可能导致全经济泄漏率达到 5.6%，而 2020 年估计为 2.7%。本评论通过广泛的分析视角，涵盖氢泄漏检测、预防和监管，确定了缓解这一风险的以下三个主要要求：本评论代表作者的研究和观点，不一定代表全球能源政策中心的观点。本文可能会进一步修订。
一、氢的使用及相关气候风险
氢能正在成为应对气候危机、向净零排放能源系统过渡的核心支柱。目前，氢能在几个关键工业流程中大规模使用，即化工、炼油和钢铁行业，全球总量约为 9000 万吨 H₂/ 年（IEA，《2050 年净零排放》，2021）。目前生产的氢中，90% 以上是灰氢，即通过使用化石燃料的高碳密集方法生产。在 IEA 的净零排放情景中，到 2050 年，氢的使用量将增加五倍以上，达到 5.28 亿吨 H₂/ 年（IEA，2021），并将涵盖更广泛的应用，包括储能介质和发电燃料、工业热、低碳燃料原料、天然气混合和运输燃料。在此期间，低碳氢生产，包括绿氢（基于低碳电力电解）和蓝氢（基于化石燃料重整与碳捕集和封存），将逐渐在氢生产总量中占据越来越大的份额。到 2050 年，它将占全球总量的绝大多数，达到 5.2 亿吨 H₂/ 年，占总供应量的 97%（见图 1）。
大多数关于氢的气候风险分析仅限于各种氢生产过程的温室气体排放 —— 这一点通过尝试根据其碳足迹范围对这些过程进行颜色编码得到了强调。然而，氢分子本身在大气中构成特定的气候风险。尽管氢分子（H₂）不会直接捕获热量，但它通过延长其他温室气体的寿命而产生间接的全球变暖效应。某些温室气体，如甲烷、臭氧和水蒸气，会通过与大气中的氢氧根自由基（OH）反应逐渐被中和。然而，当 H₂到达大气时，H₂分子会与 OH 反应，消耗大气中的 OH 水平，延迟温室气体的中和，从而有效地延长这些温室气体的寿命（Derwent 等人，2020）。氢分子在大气中仅存在几年，因此会产生显著的短期变暖效应。最近一项模拟 H₂持续排放的预印本研究估计，在 10 年期间，氢的变暖效应约为二氧化碳（CO₂）的 100 倍（Ocko 和 Hamburg，2022）。氢泄漏到大气中的间接全球变暖效应在大规模上很少被考虑。
鉴于在与实现净零目标一致的各种情景中，氢的使用预计将显著扩大，因此必须确保它不会导致温室气体排放增加，而不是减少。目前，除了安全问题外，关于氢泄漏风险的信息非常少，只有少数独立研究系统地研究了这一主题（Frazer-Nash 咨询公司，2022）。
二、氢泄漏：已知与未知
在氢的整个价值链中都存在氢泄漏风险。在评估这些风险时，本评论将氢价值链分为三类：生产、运输和终端使用（见图 1）。
三、生产泄漏风险
灰氢和蓝氢生产设施通常是综合工业设施的一部分，在这些设施中，氢直接用于生产氨、甲醇或直接还原铁等（IEA，2021）。这些工业设施在监管氢安全方面有着悠久的历史，重点是限制空气中易燃气体（包括氢）的浓度（Rivkin、Burgess 和 Buttner，2015）。对工业灰氢和蓝氢生产泄漏率的测量很少实施和报告。大多数涉及灰氢和蓝氢泄漏的研究都是基于其他气体的类似研究进行模拟或推断的。Xia 等人（2019）发现，基于蒸汽甲烷重整（SMR）的灰氢生产，根据检测到的氮气泄漏，SMR 设施的总泄漏率可能低于 1%。由于蓝氢生产系统的复杂性增加，包括额外的分离过程，因此被认为泄漏风险略高。根据天然气泄漏数据以及氢泄漏特性与天然气泄漏特性之间的相关性，其泄漏率估计约为 1.5%（Barrett 和 Cassarino，2011）。
绿氢生产目前在全球氢生产中所占份额较小，但预计未来将发挥重要作用。评估绿氢生产过程中的氢泄漏风险非常困难，因为这一主题很少被研究。关于绿氢的文献反而研究了氢的 “损失”，即理论计算的应生产氢量与实际测量量之间的差异。作为加州大学欧文分校质子交换膜（PEM）电解槽 “电转气” 示范项目的一部分，一项研究表明，变压吸附干燥器（由两个在高压下吸水的干燥床组成）后湿氢和干氢之间的差异可能是由于排放了固定量的氢气（Stansberry，2018，81）。同样，美国国家可再生能源实验室（NREL）对原型 PEM 电解槽的研究发现，大部分氢损失（估计为 3.4%）发生在干燥器中，总损失约为 4%（Harrison 和 Peters，2013）。如果这些氢损失得不到妥善处理，最终将泄漏到大气中。
四、运输泄漏风险
与生产和终端使用阶段相比，氢的运输阶段（即从生产现场到终端用户的运输）是研究最广泛的，包括基于模拟和实验的研究。目前也有关于氢运输泄漏的法规（例如，美国能源部 [DOE] 2022 年目标）。
管道，包括专用氢管道和天然气混合系统，是氢运输最重要的系统。就其本身而言，这些系统的泄漏风险较低。Weller、Hamburg 和 von Fischer（2020）以及 Mejia 和 Brouwer（2019）发现，氢仅通过管道的泄漏率约为 0.4%。然而，未来完整的氢运输系统将包括必要的储存设施（例如，加压罐储存、液化罐储存和盐穴），这些设施将导致机械损失（例如，来自加压、减压、渗透泄漏和事故），综合运输 / 储存系统的氢生命周期损失估计为 2%（Panfilov，2015；美国能源部，2022）。
另一种氢运输方式是卡车运输到加油站，这些加油站数量众多，但容量仅为几百到几千吨（Park 等人，2014）。与管道系统相比，这种方法在规模上不太重要，而且泄漏率更高，主要是由于蒸发损失（美国能源部，2017；Petitpas，2018）。对于特别小的设施（<100 公斤 / 天），损失可能占总氢量的很大比例，估计超过 20%。即使对于中等规模的加油站（几百到几千公斤 / 天），泄漏率也可能在 3-6% 之间，具体取决于压力和充电时间（美国能源部，2017；Petitpas，2018）。考虑到加油站的平均规模，本研究假设卡车运输和储存系统的平均泄漏率为 5%。
五、终端使用泄漏风险
终端使用泄漏风险是三类中了解最少的，尤其是在目前不存在的未来氢终端使用方面。按规模计算，最大的氢消费者现在和将来仍将是工业部门（见图 1）。在目前的氢终端用户中，绝大多数是化工厂、炼油厂和钢铁生产商（IEA，2019）。在 IEA 的净零排放情景中，预计到 2050 年，这些终端用户将消耗约 2 亿吨氢。与化工行业一样，目前关于氢泄漏的法规侧重于安全措施：炼油厂和化工厂如何减少氢泄漏以防止大规模危害（例如，火灾和爆炸），这在定量风险分析研究（Mohammadfam 和 Zarei，2015；Spouge，2005）和工厂调查（Pattabathula、Rani 和 Timbres，2005）中得到了证明。量化和监测小规模分布式泄漏的任务不是优先事项，因此在文献中基本不存在。据作者所知，尚未公布工业设施的明确泄漏率，其中大多数使用现场生产的氢作为综合系统。结合对综合系统的了解和灰氢生产泄漏的知识，本分析假设化工和合成燃料、钢铁和炼油厂等工业设施的泄漏率约为 0.5%（不包括生产过程）。
其他终端使用案例包括：
发电
：IEA 的净零排放情景预计每年将有 8800 万吨氢用于发电。结合分析涡轮机甲烷泄漏的 Alvarez 等人（2011）和分析甲烷与氢泄漏相关性的 Mejia 和 Brouwer（2019），作者估计基于燃气轮机技术的氢转化为电力的过程的氢泄漏率为 3%。 运输
：Shen 等人（2021）进行了一项模拟研究，分析储罐泄漏点直径的影响。Hao 等人（2020）分析了导致密闭空间内氢浓度的泄漏。本研究假设道路运输泄漏与运输过程中的氢储罐泄漏类似，但充电过程中可能存在蒸发损失，导致泄漏率估计为 2.3%（Alvarez 等人，2011；Mejia 和 Brouwer，2019）。航运和航空的泄漏率分别从类似燃料电池技术的道路运输（2.3%）和基于涡轮机技术的发电（3%）推断得出。 建筑
：使用氢的建筑泄漏风险相对较小。建筑使用的大部分燃料（约 1620 万吨 / 年）用于各种加热设备。借鉴加州家庭天然气排放的研究，并再次考虑甲烷与氢泄漏的修正，本评论假设泄漏率约为 0.8%（Fischer 等人，2018；Mejia 和 Brouwer，2019）。
表1总结了现有文献中报道的氢泄漏率。大多数这些文献不能被交叉引用，所以一些结果是从与类似技术的比较中推断出来的。由于工业设施的数据缺失，假设泄漏率为0.5%。生产和交付泄漏比最终用途泄漏更容易了解，这些数据基本上是缺失的。表1通过将氢规模（吨位）与相关泄漏率（百分比）相乘，实现了经济范围内氢泄漏率的粗略估算。总结的泄漏率是针对当前情况（2020年），并被用作估算2050年高风险案例的基础，假设氢泄漏率在未来30年不会下降（即泄漏率将保持不变）。假设2050年低风险案例的另一组泄漏率代表了技术/监管改进（通常除以2），导致与2020年相比风险更低。
六、全经济范围泄漏风险总结
图2显示了全经济范围内氢泄漏的吨位（Mt）和百分比（产生的总氢量）的结果。2020年全经济泄漏总量估计为24万吨，或2.7%。这种相对较低的结果是由氢气需求的规模（约9000万吨/年）和工业终端用途的普遍较小的泄漏率假设造成的2050年全经济的泄漏率和总吨位都高于2020年，因为氢经济的规模将更广泛（528公吨/年），某些泄漏过程将比2020年更广泛地使用（如果有使用的话）（见图1）。泄漏率在2.9%（低风险）到5.6%（高风险）之间，总泄漏量在153Mt到296Mt之间。这可能是对全球变暖不可忽视的贡献，以及每年高达590亿美元的氢气价值损失（假设为2美元/公斤-氢2）。
七、检测、监测和预防技术
氢气传感器、泄漏检测和其他安全基础设施和技术仍未达到覆盖所需应用场景所需的商业生产规模。然而，随着市场开始适应以满足氢使用的新需求，一些技术已经开发或正在改进，以满足在一系列生产和燃料环境中快速、可靠的氢泄漏检测的挑战。
在过去的几十年里，一些最简单和最有效的氢气检测方法（检测胶带和智能涂层）已经在一些不同的研究和工程机构的投入下开发出来。美国国家航空航天局（NASA）是美国最大的液氢消费国之一，在其航天飞机项目中广泛使用氢作为火箭推进剂，并操作发电燃料电池。2007年奋进号航天飞机的一次泄漏导致了化学变色带的研究和开发。这项新技术于2014年获得专利，在不到3分钟的时间内改变颜色，空气中氢的浓度低至0.1%（格拉纳斯2015年），远低于4%的燃烧阈值（达尔马迪、努格罗霍和兰哈默尔2020年）。在美国能源部氢和燃料电池技术办公室和NREL的支持下，通过公私研究合作，对检测胶带和智能涂料进行了进一步的研究。由硅胶基制成，化学变色检测带依赖于过渡金属氧化物的部分氧化，导致氢存在时颜色的变化。该胶带可用于法兰、焊缝和接头、刚性管道、柔性管，以及室内外氢燃料站和生产设施。虽然实验室测试正在进行中，但该磁带已被证明在不断变化的温度和湿度条件下有反应，并且具有抗紫外线性（美国DOE 2016）。类似的技术是一种薄膜，真空沉积的颜料，在氢气存在的情况下改变颜色和电阻，可与无线射频识别传感器一起用于远程检测。这项技术的测试也在进行中，但初步结果表明，它的响应时间稍快，持久的颜料涂层稍差（Lee et al. 2015）。前面的讨论提到了开发氢透化技术的几个关键考虑因素：检测所需的氢的精确浓度是多少？在温度、湿度和背景气体组成方面，需要哪些环境条件？传感器技术的工作寿命是多少？其他方法和设备也在使用中，包括热导率、半导体氧化物、超声波物理原理和驱动氢检测。这些技术可能有更长的工作寿命，但需要熟练的操作人员或持续的维护和维护才能正常运行。一种固态传感器已经开发出来，能够连续监测和评估累积，年泄漏率。该技术由金属氢化物薄膜和具有钯镍覆盖层的微机电系统（MEMS）结构组成，亚秒响应时间为0.25%，对氢浓度低于200百百万分之一（ppm）的敏感性（DiMeo et al. 2006）。在过去的十年里，光学气体成像相机已经开始用于泄漏检测，氢的应用正在测试。一般来说，二氧化碳作为浓度低于5%的示踪气体添加到氢中，之后摄像机在泄漏发生时显示泄漏的示踪气体（Beynon 2015）。该技术在户外应用中很有用，但诸如色散条件、风向/风速、羽流极性、环境温度和背景复杂性等因素会影响相机检测的精度，必须加以考虑（Zeng和Morris 2020）。MEMS目前用于检测电子产品的氢泄漏，如检测限为10-500ppm（达尔马迪、努格罗霍和兰哈默2020年）。如果该技术可以大规模转移到并应用于工业设施，这种低检测限可能对立即检测生产设施的泄漏产生影响。纳米结构的钯换能器材料具有非常高的灵敏度和快速的检测能力，但还需要更多的研究来将其引入消费者领域。微球体传感器分为两种亚类型（催化系数和导热系数），它们利用陶瓷微球的差动电阻来确定气体浓度的变化。这些传感器涂有支撑钯，被用于检测大气压力下空气中0.1-2.0%的氢气，尽管当颗粒过热时，它们响应的准确性降低（Jones和Nevell 1989）。与其他更复杂的氢泄漏技术一样，颗粒传感器是一个很有前途的领域，但在广泛应用于商业环境之前，还需要在控制条件下进行更多的测试。其他著名的技术包括使用液体电解质的电化学传感器、质谱仪和气相色谱仪。这些因素往往会受到不同温度的影响或者有较长的响应时间，可能使它们在商业环境中使用，但研究正在进行中。对于存储区域等地方的室内应用，便携式手持式氢气传感器易于使用，并已被证明可以检测至少550 ppm的氢气（Mandelis2013）。
八、现行法规的审查
氢气的生产、运输、交付和储存
在2020年，几个有雄心勃勃的脱碳目标和渴望成为全球氢市场的一部分的国家宣布了新的国家氢战略。这些战略目前的开发和执行速度超过了氢的生产、运输、储存和使用的氢特定监管框架和政策（例如，安全规范和协议、基础设施标准、最佳实践和认证）。虽然国际标准氢使用由国际标准化组织，国际电工委员会和欧洲工业气体协会，大多数国家宣布国家氢战略和路线图缺乏全面和强大的监管框架和监督机构来支持他们向氢经济过渡。主要氢市场现有氢监管的总结见附录（见表A1）。值得注意的是，韩国和日本在2017年首次进军新兴的全球氢气市场。韩国另外的区别是，引入了世界上第一个“氢法”（2021年氢经济促进和安全控制法案），以支持其国内和国际氢的野心。在美国，公共和私营部门的利益相关者都在寻求联邦能源管理委员会（FERC）、管道和危险材料安全管理局（PHMSA）、能源部（DOE）以及州和地方监管机构，为一个运行良好的国家氢生态系统奠定监管基础。寻求发展全面氢经济的国家——如芬兰、挪威和西班牙将需要扩大现有（气体）监管框架包括氢，而其他如比利时、智利、法国、德国、摩洛哥和英国将需要提出新的法律和政策，以适应他们的氢目标。尽管一些欧盟（EU）国家和部门出现了一些令人鼓舞的发展，但欧盟作为一个整体缺乏一个全面的监管体系来吸引建立全欧盟的氢经济，作为实现欧盟雄心勃勃的2050年脱碳目标的一部分。开发这个系统将需要大量的、良好协调的努力。其他渴望区域或全球氢优势的国家，如澳大利亚、中国、丹麦、印度、墨西哥、俄罗斯、沙特阿 拉伯和阿 拉伯联合酋长国（UAE），需要制定专门的氢法律、机构、政策，监督飞行员、示范、氢枢纽和氢的全面生产、运输、储存和应用，并仔细监测氢泄漏。目前，除了极少数例外之外，新兴的全球氢市场的大多数有抱负的领导者都缺乏专门的立法、监管框架和国际公认的标准，从而被认为是全球氢经济中最好的同类标准。
九、调查结果和建议
发现1：除了要求的安全管理之外，几乎没有关于目前氢泄漏率和风险的数据和监管。许多工业生产和应用过程中没有氢泄漏数据。对于那些有泄漏数据可用的过程，大多数来源都不是交叉引用的，而是基于模拟的，有时是从类似的研究中推断出来的。此外，数据不包括设备海拔分析，因此不能支持自下而上的分析，这是评估经济范围内总泄漏率的典型方法。目前的文献并没有提供对当今氢气泄漏的实际状况的明确理解。
发现2：用于氢泄漏检测和监测的技术很少。很少有商业产品被确定支持氢泄漏检测，这一步对于充分了解当前和未来的情况至关重要。这种市场短缺的部分原因是缺乏监管：许多国家还没有为氢的生产、运输、储存和最终使用制定专门的立法和监管框架，包括关于氢泄漏的监测。氢经济的扩张，特别是加油站、燃料电池汽车和终端使用电器等分布式能源，可能会加剧对更多商业产品的需求。
发现3：氢气泄漏似乎集中在几个关键的过程中。到2050年，绿色氢气的生产、运输和储存（包括管道和卡车）；道路运输车辆；发电；和化学合成燃料的生产预计将成为泄漏的主要来源。它们加在一起，将造成整个经济范围内77%的氢气泄漏。造成这一巨大贡献的主要原因是它们的广泛规模（化学和合成燃料生产）、高泄漏风险（道路运输车辆、卡车运输和储存），或两者兼有（绿色氢生产和管道运输和储存）。
发现4：初步分析表明，未来新生产和交付扩张导致全经济氢泄漏率上升的风险增加。当前氢系统中不存在2050年情景的许多关键泄漏过程。随着氢经济的扩大，生产/使用的扩大和新工艺的部署将增加泄漏的机会，从而增加风险水平。2050年的高风险情景将导致5.6%的全经济泄漏率。简而言之，氢气泄漏预计将是氢气经济面临的一个挑战。
建议1：开发研究和数据收集程序，以更好地了解现有的氢系统。由于缺乏了解当前的氢系统和泄漏的重要性，无法制定现实的解决方案和适当的法规。目前的氢气系统主要基于工业生产和应用，如果没有工业合作伙伴的支持，很可能无法进行关于泄漏的研究和数据收集。为了理解和严格地理解。
评估氢泄漏的规模，新的法规和政策应强调氢泄漏检测。
建议2：要求对新的氢试点进行监测，扩大项目以评估新工艺的泄漏风险。在未来，真正的泄漏风险可能是新的过程，如绿色氢生产、燃料电池汽车和专用氢输送。如果目标是解决这种潜在的泄漏，则需要在生产、交付和最终使用阶段对所有新工艺实施监控程序。在扩大规模之前，通过法规和政策对这些过程进行积极控制，有助于减少与未来氢经济相关的风险和潜在的经济损失。
建议3：特别注意某些证明有可能扩大规模或解决高泄漏风险的关键过程。根据这一阶段的现有数据，据估计，在2050年的情景中，发现3中确定的少数过程将占总氢泄漏量估计的77%。大量资源用于扩大氢的生产和使用，但不用于控制过程中的泄漏。如果泄漏估计得到确认，泄漏集中在关键工艺周围，如果目标是有效减少整体氢泄漏，对少数关键工艺的泄漏预防和法规的研究将比其他工艺的影响更大。
建议4：扩大对氢氢泄漏检测、预防和缓解的研发项目的支持。关于如何预防和减少氢气泄漏的研究还很不足。此外，目前用于此目的的商业产品不满足设备水平、高灵敏度和分布式小氢泄漏源检测的要求。如果目标是发展一个没有氢泄漏的繁荣氢经济，应该优先资助氢泄漏的检测、预防和缓解，特别注意将目前研究水平的技术带到商业水平。
