SimH2：一种用于氢气管道基础设施与网络优化的综合技术经济建模框架

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：SimH2: an integrated techno-economic modeling framework for hydrogen pipeline infrastructure and network optimization

　　王敏|马志伟|莫哈梅德·梅哈纳|陈柏联
美国新墨西哥州87545，洛斯阿拉莫斯国家实验室，理论部，流体力学与固体力学小组

摘要
由于缺乏能够反映运输成本与氢气质量流量之间关系的成本模型，大规模氢气管道运输设计及网络优化相关研究较为少见。本研究提出了一种超临界状态下氢气管道运输的系统级成本模型，并将其与现有的CO2管道网络分析工具SimCCS相结合，用于氢气专用管道的设计与优化。美国中西部地区历史上以化石燃料经济为主，本文选择该地区作为案例，展示所开发的氢气管道成本模型及名为SimH2的运输网络优化平台的功能。研究分析了两种场景：一种是不允许管道穿过弱势社区，另一种是允许通过。结果表明，考虑弱势社区约束会使得管道长度增加、运输成本上升，这体现了在基础设施建设中平衡公平性与效率的必要性。研究表明，新开发的SimH2工具不仅能高效设计氢气运输管道，还能通过综合考虑地形因素及弱势区域情况来优化管道网络。

引言
氢能经济正逐渐成为能源领域的重要组成部分。氢气管道有助于将大量氢气从生产地高效输送到各州的最终用户手中[1]。这类基础设施对于确保氢气分配的可扩展性和成本效益，以及其顺利融入全球能源结构至关重要。例如，美国中西部地区目前依赖化石燃料经济，若能实现多元化的能源供应，将有助于提升能源系统的韧性[2]。在包括蒙大拿州、怀俄明州、犹他州、科罗拉多州、新墨西哥州和亚利桑那州在内的中西部地区，氢气运输是建立可持续氢能经济的关键要素[3]。随着该地区向氢能枢纽发展，建设可靠的运输基础设施——尤其是管道——对于连接氢气生产设施与工业、交通及能源产业而言极为重要。

目前，关于氢气运输的大多数研究都集中在使用单一长距离管道输送纯氢气上。然而，由于氢分子密度低、体积小，它可能会破坏钢管的晶格结构，从而降低钢管的延展性和强度，这种现象被称为氢脆。为降低这一风险，Lynch和Marmaro[4]提出了将氢气与天然气混合的方案，这一方法已被广泛研究。许多研究探讨了氢气对钢材的损伤机制[5][6][7]，以及受氢脆影响的钢管在宏观层面的力学行为[8][9][10]。刘等人研究了氢气-天然气混合物的流动特性，发现管道运输过程中会出现分层现象，且操作压力越高、氢气浓度越大，分层现象越明显[11]。研究人员还利用计算流体动力学模拟结合彭-罗宾逊状态方程，进一步研究了氢气-天然气混合物的流动特性，模拟结果与实验观测值高度吻合[12][13][14]。除了混合气体运输外，Kurz等人[15]也研究了通过管道输送纯氢气所面临的挑战，发现压缩机的负荷需求显著增加。为了量化在天然气基础设施中输送氢气时的压力损失，Thawani等人[16]使用了计算流体动力学软件及分析模型。他们的研究表明，要在固定管道长度下实现相同的能量传输效率，纯氢气的输送速度需达到甲烷的250%–270%。此外，当氢气输送速度高达80米/秒时，中密度聚乙烯管道的压力损失比X52钢管低2%–31%。为提升氢气运输效率，研究人员还研究了在现有天然气管道中混合氢气与天然气的最佳比例[17][18][19]。研究表明，混合比例高达20%时仍不会带来重大技术难题。为减少天然气管道中的氢脆现象，一些研究[20][21]提出了针对新建或改造的氢气管道的具体设计与运营措施，包括安装新的光滑内壁管道或清洁现有管道以降低内壁粗糙度，以及通过设置中间压缩机站来缩短运输距离。Telessy等人[22]研究了将天然气管道改用于氢气运输所面临的挑战及潜在解决方案，强调了在构建可持续氢气运输基础设施时成本优化的重要性。

这些研究主要关注氢气管道运输中的各种挑战，包括氢脆、环境可持续性以及现有基础设施的改造问题。然而，大规模氢气管道运输还需要进行管道网络的设计与优化，而这方面至今尚未得到充分研究。设计最优氢气运输管道网络的关键在于建立全面的氢气运输成本模型。迄今为止，阿贡国家实验室提出了一个氢气管道资本成本估算公式[23]，这一公式为初步估算提供了重要依据。该模型基于天然气管道的数据，推导出了管道尺寸与运输资本成本之间的关系，并对氢气运输的特殊情况进行了调整。尽管该模型有一定实用价值，但也存在明显局限：它仅适用于由尺寸一致的单一管道构成的理想化场景，因此无法用于包含多个氢气生产设施及众多用户/储存点的复杂氢气运输网络建模。在现实应用中，这类网络需要根据地区和局部地形、土地所有权、河流/道路穿越情况以及不同地点的需求变化，对管道的尺寸、长度和分布进行优化。因此，需要更先进的成本模型来支持实际氢气运输网络的设计与优化。

除了关于氢气混合及管道材料兼容性的研究外，越来越多的文献开始关注氢气基础设施规划与供应链优化问题。最新的氢气基础设施模型考虑了在不同空间和时间尺度上协调部署生产、储存、运输及需求相关技术。例如，NREL的SERA模型[25]这类系统级优化工具，旨在通过综合考虑供应地点、需求中心、输送路径以及地理和时间尺度上的成本性能因素，来优化氢气基础设施的建设。其他近期研究则开发了氢气供应链优化模型，用于从短期到长期规划视角分析基础设施的部署方案，其中包括生产、输送和储存技术[26]。这些研究凸显了在新兴氢能系统中进行综合基础设施规划的重要性。然而，许多现有的氢气供应链模型往往通过使用简化的成本假设、固定的运输方式或聚合的距离成本因子来简化管道运输问题，而非对管道直径、分段路由及网络拓扑结构进行精确优化。

从CO2和天然气运输系统中也可获得有益借鉴，因为这两类系统的管道成本建模与网络优化研究更为深入。CO2管道研究探讨了管道直径、输送距离、质量流量、压缩成本及压力降等因素对平均运输成本的影响，为大规模管道基础设施规划提供了有用的方法参考[27]。最近的CO2网络规划研究还强调了基于地理信息的走廊设计，以及为连接多个源头和目的地而优化共享管道基础设施的重要性[28]。类似地，天然气管道研究及氢气混合分析也研究了将氢气引入现有天然气基础设施所带来的技术和运营方面的影响，包括材料兼容性、压力损失、压缩机需求及混合限制等[29]。尽管这些研究奠定了重要基础，但氢气在密度、可压缩性、体积流量要求、压力降行为及材料兼容性等方面都与CO2和天然气存在差异。因此，为CO2或天然气系统开发的成本模型及网络设计原则，未经适当修改便不能直接应用于专门的氢气管道网络。

本研究开发了SimH2，这是一种源自SimCCS碳运输建模平台的氢气管道网络设计与优化工具。SimCCS已成功应用于多种与碳捕获、利用与封存相关的任务，如分阶段实施[30]、环境公平性考量[31]以及现有基础设施的整合[32][33][34][35]。本研究并未提出全新的成本或优化理论，而是通过将现有的成本关联关系与基于达西-魏斯巴赫定律的流动方程相结合，构建出系统级成本模型，并将其与SimCCS集成，以实现氢气专用管道的设计与优化。具体而言，我们建立了氢气管道运输成本模型，该模型能够将氢气质量流量、管道直径以及4英寸至48英寸范围内的不同直径下的运输成本联系起来，从而用于系统级的氢气管道运输分析。随后，我们将该氢气成本模型纳入基于SimCCS开发的网络优化框架中，由此形成了SimH2。这一扩展功能使得可以在混合整数优化环境中同时考虑候选的氢气来源、目的地、管道路线、流量分配及管道直径选择等问题。最后，通过在美国中西部地区的系统性案例研究，展示了SimH2的应用效果。这些案例分析了在不同场景下，氢气生产、需求分布、管道直径选择及运输成本如何影响最优网络配置。

本文的其余部分结构如下：第二部分介绍了临界状态下的氢气运输成本模型，并阐述了其与SimH2网络优化框架的整合方式。第三部分将该框架应用于美国中西部地区的案例研究，分析了多种场景下的网络设计结果。第四部分总结了主要研究发现，并探讨了未来的研究方向。

片段一：管道尺寸与运输成本之间的关系
最近的研究[23]整理了1980年以来的天然气管道成本数据，进而建立了针对氢气管道的成本估算公式。这些公式是管道直径、长度以及美国不同地区的函数。估算成本由四个主要部分构成：材料成本、人工成本、杂项成本以及通行权费用。美国被划分为七个区域，每个区域都基于特定假设制定了相应的成本估算公式。

片段二：模型数据
美国中西部地区历史上以化石燃料经济为主。在该地区开展氢气运输对于建立可持续氢能经济至关重要。本研究以该地区作为案例，展示我们所开发的氢气管道运输工具SimH2的应用效果。该地区包括六个州，其中大部分属于落基山地区，而管道运输成本……

结论
本研究建立了一个氢气管道运输成本模型，该模型将运输成本与氢气质量流量明确关联起来，并将其整合到了SimCCS中。这一改进使得我们拥有了新的工具SimH2，可用于系统级的氢气管道网络设计与优化。在美国中西部地区的案例研究显示，SimH2能够在综合考虑空间和社会经济约束因素的情况下，生成具有成本效益的氢气管道网络，其中包括……

CRediT作者贡献说明
王敏：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、正式分析。马志伟：撰写——审阅与编辑、软件、方法论、正式分析。莫哈梅德·梅哈纳：撰写——审阅与编辑、项目管理。陈柏联：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了美国能源部的支持，具体由洛斯阿拉莫斯国家实验室承担，该实验室由Triad National Security, LLC负责运营，隶属于美国能源部的国家核安全管理局，合同编号为89233218CNA000001。本文中的研究工作部分由洛斯阿拉莫斯国家实验室的实验室定向研究与发展计划资助，项目编号为20230411MFR。