摘要

根據(jù)美國(guó)普林斯頓大學(xué)的一項(xiàng)研究，需要建設(shè)65,000英里的管道—這是到2050年實(shí)現(xiàn)整個(gè)經(jīng)濟(jì)的凈零排放所必需的距離。在《基礎(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》和《減少通貨膨脹法案》的激勵(lì)下，美國(guó)即將建造一個(gè)龐大的管道網(wǎng)絡(luò)來(lái)運(yùn)輸氫氣和二氧化碳。然而，一個(gè)典型的鋼制管道所產(chǎn)生的生命周期排放量是每英尺27.35公斤二氧化碳當(dāng)量。這意味著65,000英里將導(dǎo)致近940萬(wàn)兆噸的二氧化碳當(dāng)量（相當(dāng)于每年200多萬(wàn)輛乘用車）僅由鋼制管道基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生。

由復(fù)合材料制成的管道提供了一個(gè)降低排放的途徑。復(fù)合材料管道由多層不同的材料組成--通常是以熱塑性聚合物為主要結(jié)構(gòu)層，配以纖維或微粒填料等加固材料，以增加強(qiáng)度和硬度。一些類型的管道在生命周期內(nèi)的排放量比典型的鋼制管道少近三分之一。根據(jù)不同的應(yīng)用，復(fù)合材料管線可以更安全，更便宜。然而，管道和危險(xiǎn)材料和安全管理局（PHMSA）為復(fù)合材料管道頒發(fā)許可證的過(guò)程比鋼鐵要長(zhǎng)，而且對(duì)于氫氣和超臨界二氧化碳，該行業(yè)完全缺乏監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)?！侗Ｗo(hù)我們的管道基礎(chǔ)設(shè)施和加強(qiáng)安全法案》的重新授權(quán)為審查有關(guān)新的、低排放的管道技術(shù)的政策提供了一個(gè)極好的機(jī)會(huì)。

挑戰(zhàn)

美國(guó)正處于清潔能源建設(shè)熱潮的邊緣，其范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)風(fēng)能和太陽(yáng)能，包括利用氫氣和碳捕獲的基礎(chǔ)設(shè)施?！痘A(chǔ)設(shè)施投資和就業(yè)法案》為示范項(xiàng)目提供了210億美元的資金，并在《減少通貨膨脹法》中為示范項(xiàng)目提供了另外70億美元的資金和至少3690億美元的稅收減免。國(guó)會(huì)認(rèn)識(shí)到管道是一個(gè)重要組成部分，并根據(jù)《二氧化碳運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施融資和創(chuàng)新法》（CIFIA）提供了21億美元的貸款和贈(zèng)款。

美國(guó)的管線縱橫交錯(cuò)。大約330萬(wàn)英里的主要是鋼制的管道，每年輸送數(shù)萬(wàn)億立方英尺的天然氣和數(shù)千億噸的液體石油產(chǎn)品。用于運(yùn)輸二氧化碳的管道遠(yuǎn)少于5000英里，只有1600英里專門(mén)用于運(yùn)輸氫氣。研究表明，現(xiàn)有的管道網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。根據(jù)"零排放美國(guó)"網(wǎng)公布，大約需要65,000英里的管道來(lái)運(yùn)輸捕獲的二氧化碳，以便到2050年在美國(guó)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)的凈零排放。該研究還指出，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)需要幾千英里的管道來(lái)運(yùn)輸氫氣。

用鋼鐵制造管道是一個(gè)碳密集的過(guò)程，而鋼鐵制造一般占全球溫室氣體排放的百分之七到百分之九。目前正在努力降低鋼鐵產(chǎn)生的排放（即 "綠色鋼鐵"），方法是提高能源效率，捕獲和儲(chǔ)存排放的二氧化碳，回收廢鋼與可再生能源相結(jié)合，并使用低排放的氫氣。然而，成本是許多這些緩解戰(zhàn)略的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。到2050年，全球鋼鐵資產(chǎn)向凈零兼容技術(shù)過(guò)渡的估計(jì)成本為2000億美元，除此此外，為滿足不斷增長(zhǎng)的需求，每年平均有310億美元的基線成本。

機(jī)會(huì)

鑒于實(shí)現(xiàn)凈零排放的未來(lái)需要龐大的管道網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大使用復(fù)合材料管道為美國(guó)提供了降低碳排放的重要機(jī)會(huì)。復(fù)合材料具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，重量更輕，更靈活，并具有更好的流動(dòng)能力。這意味著由復(fù)合材料制成的管道比鋼制管道的使用壽命更長(zhǎng)，需要的維護(hù)更少。復(fù)合材料管道的安裝速度可提高四倍，安裝所需的勞動(dòng)力為三分之一，而且運(yùn)營(yíng)成本也大大降低。隨著技術(shù)進(jìn)步使這些材料更加可靠和具有成本效益，預(yù)計(jì)復(fù)合材料管道的使用將繼續(xù)增長(zhǎng)。

隨著工業(yè)界尋求改善其可持續(xù)性，復(fù)合管的使用也在擴(kuò)大。我們對(duì)熱塑性管材進(jìn)行了生命周期分析，這種管材是通過(guò)一種稱為擠出成型工藝制成，即熔化高密度聚乙烯或聚氯乙烯等熱塑性材料，然后迫使其通過(guò)一個(gè)模具，形成一個(gè)連續(xù)的管材。然后，管子可以被切割成所需的長(zhǎng)度，配件可以被連接到兩端，從而形成一個(gè)完整的管道。我們發(fā)現(xiàn)，熱塑性塑料管的生命周期排放量為6.83千克二氧化碳當(dāng)量/英尺，比同等長(zhǎng)度的鋼管低大約75%，后者的生命周期排放量為27.35千克二氧化碳當(dāng)量/英尺。

這些估計(jì)不包括潛在的泄漏差異。具體而言，復(fù)合材料管具有連續(xù)結(jié)構(gòu)，可以生產(chǎn)更長(zhǎng)的管段，從而減少接頭和焊接。相比之下，由于制造工藝的限制，金屬管通常是以較短的管段制造。這意味著需要更多的接頭和焊縫來(lái)將各部分連接在一起，這可能會(huì)增加泄漏或其他問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。此外，美國(guó)約有一半的鋼制管道已超過(guò)50年的歷史，增加了泄漏的可能性和維護(hù)成本。復(fù)合材料管的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它可以拉過(guò)鋼制管道，從而重新利用老化的鋼制管道來(lái)運(yùn)輸不同的材料，同時(shí)也減少了對(duì)新路權(quán)和相關(guān)許可的需求。

盡管使用復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，但尚未制定標(biāo)準(zhǔn)，以允許安全運(yùn)輸超臨界二氧化碳和氫氣。在聯(lián)邦層面，管道安全由交通部的管道和危險(xiǎn)材料管理局（PHMSA）管理。為確保能源和其他危險(xiǎn)材料的安全運(yùn)輸，PHMSA制定國(guó)家政策，制定和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行教育，并進(jìn)行研究以防止事故。然而，在運(yùn)輸超臨界液體、氣體或亞臨界液體狀態(tài)下的氫氣或二氧化碳的復(fù)合材料管方面，沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)。

重新利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施是至關(guān)重要的，因?yàn)闊o(wú)論哪種類型的管道，其選址往往是具有挑戰(zhàn)性的。雖然天然氣管道和一些石油管道可以根據(jù)聯(lián)邦法律，如《天然氣法》或《州際商業(yè)法》援引征用權(quán)條款，但對(duì)于氫氣和二氧化碳管道來(lái)說(shuō)，沒(méi)有這樣的聯(lián)邦授權(quán)。在一些州，具體的法規(guī)涉及到二氧化碳管道的征用權(quán)。這些法律通常規(guī)定了啟動(dòng)征用權(quán)程序的程序，確定支付給財(cái)產(chǎn)所有者的補(bǔ)償金額，并解決與征用權(quán)有關(guān)的糾紛。

行動(dòng)計(jì)劃

我們?nèi)绾尾拍茉谑褂玫团欧挪牧系耐瑫r(shí)建立一個(gè)龐大的二氧化碳和氫氣管道網(wǎng)絡(luò)？

PHMSA、工業(yè)界和感興趣的利益相關(guān)者應(yīng)共同努力，制定使用復(fù)合材料管道運(yùn)輸氫氣和超臨界二氧化碳的安全標(biāo)準(zhǔn)。沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，就沒(méi)有允許使用復(fù)合材料管道的途徑。這種合作可以在PHMSA最近宣布更新其二氧化碳運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)的背景下進(jìn)行。

歐洲在這方面領(lǐng)先于美國(guó)，因?yàn)榇?jí)社DNV目前正在開(kāi)展一個(gè)聯(lián)合行業(yè)項(xiàng)目，審查使用熱塑性管材運(yùn)輸氫氣的成本和風(fēng)險(xiǎn)。這項(xiàng)工作將為歐盟的監(jiān)管者提供信息，他們目前正在修訂氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲清潔氫氣聯(lián)盟最近通過(guò)了一份 "氫氣標(biāo)準(zhǔn)化路線圖"，明確建議為非金屬管道制定標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際可行的范圍內(nèi)，如果標(biāo)準(zhǔn)相似，將有利于美國(guó)產(chǎn)品的出口市場(chǎng)。

國(guó)會(huì)應(yīng)通過(guò)頒布《國(guó)家環(huán)境政策法》（NEPA）下的立法分類來(lái)簡(jiǎn)化鋼管的改造。NEPA要求聯(lián)邦機(jī)構(gòu)評(píng)估可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響的行動(dòng)。分類豁免（CE）是被確定為沒(méi)有重大環(huán)境影響的行動(dòng)類別，因此不需要在進(jìn)行環(huán)境評(píng)估（EA）或環(huán)境影響報(bào)告（EIS）。CEs可以在幾天內(nèi)得到處理，從而加快了對(duì)合格行動(dòng)的審查。

在國(guó)會(huì)啟動(dòng)對(duì)《2020年保護(hù)我們的管道基礎(chǔ)設(shè)施和加強(qiáng)安全（PIPES）法案》的重新授權(quán)時(shí)，應(yīng)考慮上述兩個(gè)想法。在對(duì)管道安全的其他改進(jìn)中，PIPES法案重新授權(quán)PHMSA到2023財(cái)政年度。隨著國(guó)會(huì)開(kāi)始為PHMSA制定下一個(gè)重新授權(quán)的法案，現(xiàn)在是審查行業(yè)狀況的最佳時(shí)機(jī)，包括復(fù)合管加速能源轉(zhuǎn)型的潛力。

清潔能源示范辦公室在評(píng)估資助項(xiàng)目時(shí)應(yīng)考慮建筑材料的隱含排放。有計(jì)劃考慮建筑材料的隱含物排放的申請(qǐng)者可以在選擇過(guò)程中獲得額外的權(quán)重。

復(fù)合材料在許多其他應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，不僅僅是管道。能源效率和可再生能源辦公室（EERE）應(yīng)支持研究，以進(jìn)一步提高復(fù)合材料管道的性能，同時(shí)改善生命周期的排放。除了正在進(jìn)行的降低鋼鐵和混凝土排放強(qiáng)度的努力外，EERE應(yīng)支持管道和其他應(yīng)用的替代性復(fù)合材料的創(chuàng)新。

結(jié)論

最近的立法將激發(fā)下一代清潔能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，資金也創(chuàng)造了一個(gè)機(jī)會(huì)，以部署生命周期內(nèi)溫室氣體排放量較低的建筑材料。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槭褂酶咻椛涔に嚱ㄔ忑嫶蟮墓艿谰W(wǎng)絡(luò)會(huì)破壞立法的目標(biāo)。然而，監(jiān)管法規(guī)仍然是一個(gè)障礙，因?yàn)樗鼪](méi)有為使用復(fù)合材料提供一個(gè)途徑。PHMSA和工業(yè)界應(yīng)開(kāi)始討論建立必要的安全標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)會(huì)應(yīng)與工業(yè)界和監(jiān)管機(jī)構(gòu)合作，在改造鋼鐵管道時(shí)簡(jiǎn)化NEPA程序。隨著美國(guó)開(kāi)始建設(shè)氫氣和碳捕獲、利用和儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)，重新授權(quán)《管道法》提供了一個(gè)極好的機(jī)會(huì)來(lái)大大降低排放。

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)綜編，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。