【专题综述】美国：建议建设全国复合材料管道网络，减少温室气体排放

摘要

根据美国普林斯顿大学的一项研究，需要建设65,000英里的管道—这是到2050年实现整个经济的净零排放所必需的距离。在《基础设施投资和就业法案》和《减少通货膨胀法案》的激励下，美国即将建造一个庞大的管道网络来运输氢气和二氧化碳。然而，一个典型的钢制管道所产生的生命周期排放量是每英尺27.35公斤二氧化碳当量。这意味着65,000英里将导致近940万兆吨的二氧化碳当量（相当于每年200多万辆乘用车）仅由钢制管道基础设施产生。

由复合材料制成的管道提供了一个降低排放的途径。复合材料管道由多层不同的材料组成--通常是以热塑性聚合物为主要结构层，配以纤维或微粒填料等加固材料，以增加强度和硬度。一些类型的管道在生命周期内的排放量比典型的钢制管道少近三分之一。根据不同的应用，复合材料管线可以更安全，更便宜。然而，管道和危险材料和安全管理局（PHMSA）为复合材料管道颁发许可证的过程比钢铁要长，而且对于氢气和超临界二氧化碳，该行业完全缺乏监管标准。《保护我们的管道基础设施和加强安全法案》的重新授权为审查有关新的、低排放的管道技术的政策提供了一个极好的机会。

挑战

美国正处于清洁能源建设热潮的边缘，其范围远远超过风能和太阳能，包括利用氢气和碳捕获的基础设施。《基础设施投资和就业法案》为示范项目提供了210亿美元的资金，并在《减少通货膨胀法》中为示范项目提供了另外70亿美元的资金和至少3690亿美元的税收减免。国会认识到管道是一个重要组成部分，并根据《二氧化碳运输基础设施融资和创新法》（CIFIA）提供了21亿美元的贷款和赠款。

美国的管线纵横交错。大约330万英里的主要是钢制的管道，每年输送数万亿立方英尺的天然气和数千亿吨的液体石油产品。用于运输二氧化碳的管道远少于5000英里，只有1600英里专门用于运输氢气。研究表明，现有的管道网络远远不能满足需要。根据"零排放美国"网公布，大约需要65,000英里的管道来运输捕获的二氧化碳，以便到2050年在美国实现经济范围内的净零排放。该研究还指出，在每个区域内需要几千英里的管道来运输氢气。

用钢铁制造管道是一个碳密集的过程，而钢铁制造一般占全球温室气体排放的百分之七到百分之九。目前正在努力降低钢铁产生的排放（即 "绿色钢铁"），方法是提高能源效率，捕获和储存排放的二氧化碳，回收废钢与可再生能源相结合，并使用低排放的氢气。然而，成本是许多这些缓解战略的一个重大挑战。到2050年，全球钢铁资产向净零兼容技术过渡的估计成本为2000亿美元，除此此外，为满足不断增长的需求，每年平均有310亿美元的基线成本。

机会

鉴于实现净零排放的未来需要庞大的管道网络，扩大使用复合材料管道为美国提供了降低碳排放的重要机会。复合材料具有很强的抗腐蚀性，重量更轻，更灵活，并具有更好的流动能力。这意味着由复合材料制成的管道比钢制管道的使用寿命更长，需要的维护更少。复合材料管道的安装速度可提高四倍，安装所需的劳动力为三分之一，而且运营成本也大大降低。随着技术进步使这些材料更加可靠和具有成本效益，预计复合材料管道的使用将继续增长。

随着工业界寻求改善其可持续性，复合管的使用也在扩大。我们对热塑性管材进行了生命周期分析，这种管材是通过一种称为挤出成型工艺制成，即熔化高密度聚乙烯或聚氯乙烯等热塑性材料，然后迫使其通过一个模具，形成一个连续的管材。然后，管子可以被切割成所需的长度，配件可以被连接到两端，从而形成一个完整的管道。我们发现，热塑性塑料管的生命周期排放量为6.83千克二氧化碳当量/英尺，比同等长度的钢管低大约75%，后者的生命周期排放量为27.35千克二氧化碳当量/英尺。

这些估计不包括潜在的泄漏差异。具体而言，复合材料管具有连续结构，可以生产更长的管段，从而减少接头和焊接。相比之下，由于制造工艺的限制，金属管通常是以较短的管段制造。这意味着需要更多的接头和焊缝来将各部分连接在一起，这可能会增加泄漏或其他问题的风险。此外，美国约有一半的钢制管道已超过50年的历史，增加了泄漏的可能性和维护成本。复合材料管的另一个优点是，它可以拉过钢制管道，从而重新利用老化的钢制管道来运输不同的材料，同时也减少了对新路权和相关许可的需求。

尽管使用复合材料的优势，但尚未制定标准，以允许安全运输超临界二氧化碳和氢气。在联邦层面，管道安全由交通部的管道和危险材料管理局（PHMSA）管理。为确保能源和其他危险材料的安全运输，PHMSA制定国家政策，制定和执行标准，进行教育，并进行研究以防止事故。然而，在运输超临界液体、气体或亚临界液体状态下的氢气或二氧化碳的复合材料管方面，没有任何标准。

重新利用现有的基础设施是至关重要的，因为无论哪种类型的管道，其选址往往是具有挑战性的。虽然天然气管道和一些石油管道可以根据联邦法律，如《天然气法》或《州际商业法》援引征用权条款，但对于氢气和二氧化碳管道来说，没有这样的联邦授权。在一些州，具体的法规涉及到二氧化碳管道的征用权。这些法律通常规定了启动征用权程序的程序，确定支付给财产所有者的补偿金额，并解决与征用权有关的纠纷。

行动计划

我们如何才能在使用低排放材料的同时建立一个庞大的二氧化碳和氢气管道网络？

PHMSA、工业界和感兴趣的利益相关者应共同努力，制定使用复合材料管道运输氢气和超临界二氧化碳的安全标准。没有标准，就没有允许使用复合材料管道的途径。这种合作可以在PHMSA最近宣布更新其二氧化碳运输标准的背景下进行。

欧洲在这方面领先于美国，因为船级社DNV目前正在开展一个联合行业项目，审查使用热塑性管材运输氢气的成本和风险。这项工作将为欧盟的监管者提供信息，他们目前正在修订氢气基础设施的标准。欧洲清洁氢气联盟最近通过了一份 "氢气标准化路线图"，明确建议为非金属管道制定标准。在实际可行的范围内，如果标准相似，将有利于美国产品的出口市场。

国会应通过颁布《国家环境政策法》（NEPA）下的立法分类来简化钢管的改造。NEPA要求联邦机构评估可能对环境产生重大影响的行动。分类豁免（CE）是被确定为没有重大环境影响的行动类别，因此不需要在进行环境评估（EA）或环境影响报告（EIS）。CEs可以在几天内得到处理，从而加快了对合格行动的审查。

在国会启动对《2020年保护我们的管道基础设施和加强安全（PIPES）法案》的重新授权时，应考虑上述两个想法。在对管道安全的其他改进中，PIPES法案重新授权PHMSA到2023财政年度。随着国会开始为PHMSA制定下一个重新授权的法案，现在是审查行业状况的最佳时机，包括复合管加速能源转型的潜力。

清洁能源示范办公室在评估资助项目时应考虑建筑材料的隐含排放。有计划考虑建筑材料的隐含物排放的申请者可以在选择过程中获得额外的权重。

复合材料在许多其他应用中具有优势，不仅仅是管道。能源效率和可再生能源办公室（EERE）应支持研究，以进一步提高复合材料管道的性能，同时改善生命周期的排放。除了正在进行的降低钢铁和混凝土排放强度的努力外，EERE应支持管道和其他应用的替代性复合材料的创新。

结论

最近的立法将激发下一代清洁能源基础设施的建设，资金也创造了一个机会，以部署生命周期内温室气体排放量较低的建筑材料。这一点很重要，因为使用高辐射工艺建造庞大的管道网络会破坏立法的目标。然而，监管法规仍然是一个障碍，因为它没有为使用复合材料提供一个途径。PHMSA和工业界应开始讨论建立必要的安全标准，国会应与工业界和监管机构合作，在改造钢铁管道时简化NEPA程序。随着美国开始建设氢气和碳捕获、利用和储存网络，重新授权《管道法》提供了一个极好的机会来大大降低排放。

此文由中国复合材料工业协会综编，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。