摘要

根據美國普林斯頓大學的一項研究，需要建設65,000英里的管道—這是到2050年實現整個經濟的凈零排放所必需的距離。在《基礎設施投資和就業法案》和《減少通貨膨脹法案》的激勵下，美國即將建造一個龐大的管道網絡來運輸氫氣和二氧化碳。然而，一個典型的鋼制管道所產生的生命周期排放量是每英尺27.35公斤二氧化碳當量。這意味著65,000英里將導致近940萬兆噸的二氧化碳當量（相當于每年200多萬輛乘用車）僅由鋼制管道基礎設施產生。

由復合材料制成的管道提供了一個降低排放的途徑。復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構層，配以纖維或微粒填料等加固材料，以增加強度和硬度。一些類型的管道在生命周期內的排放量比典型的鋼制管道少近三分之一。根據不同的應用，復合材料管線可以更安全，更便宜。然而，管道和危險材料和安全管理局（PHMSA）為復合材料管道頒發許可證的過程比鋼鐵要長，而且對于氫氣和超臨界二氧化碳，該行業完全缺乏監管標準。《保護我們的管道基礎設施和加強安全法案》的重新授權為審查有關新的、低排放的管道技術的政策提供了一個極好的機會。

挑戰

美國正處于清潔能源建設熱潮的邊緣，其范圍遠遠超過風能和太陽能，包括利用氫氣和碳捕獲的基礎設施。《基礎設施投資和就業法案》為示范項目提供了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。國會認識到管道是一個重要組成部分，并根據《二氧化碳運輸基礎設施融資和創新法》（CIFIA）提供了21億美元的貸款和贈款。

美國的管線縱橫交錯。大約330萬英里的主要是鋼制的管道，每年輸送數萬億立方英尺的天然氣和數千億噸的液體石油產品。用于運輸二氧化碳的管道遠少于5000英里，只有1600英里專門用于運輸氫氣。研究表明，現有的管道網絡遠遠不能滿足需要。根據"零排放美國"網公布，大約需要65,000英里的管道來運輸捕獲的二氧化碳，以便到2050年在美國實現經濟范圍內的凈零排放。該研究還指出，在每個區域內需要幾千英里的管道來運輸氫氣。

用鋼鐵制造管道是一個碳密集的過程，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生的排放（即 "綠色鋼鐵"），方法是提高能源效率，捕獲和儲存排放的二氧化碳，回收廢鋼與可再生能源相結合，并使用低排放的氫氣。然而，成本是許多這些緩解戰略的一個重大挑戰。到2050年，全球鋼鐵資產向凈零兼容技術過渡的估計成本為2000億美元，除此此外，為滿足不斷增長的需求，每年平均有310億美元的基線成本。

機會

鑒于實現凈零排放的未來需要龐大的管道網絡，擴大使用復合材料管道為美國提供了降低碳排放的重要機會。復合材料具有很強的抗腐蝕性，重量更輕，更靈活，并具有更好的流動能力。這意味著由復合材料制成的管道比鋼制管道的使用壽命更長，需要的維護更少。復合材料管道的安裝速度可提高四倍，安裝所需的勞動力為三分之一，而且運營成本也大大降低。隨著技術進步使這些材料更加可靠和具有成本效益，預計復合材料管道的使用將繼續增長。

隨著工業界尋求改善其可持續性，復合管的使用也在擴大。我們對熱塑性管材進行了生命周期分析，這種管材是通過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，然后迫使其通過一個模具，形成一個連續的管材。然后，管子可以被切割成所需的長度，配件可以被連接到兩端，從而形成一個完整的管道。我們發現，熱塑性塑料管的生命周期排放量為6.83千克二氧化碳當量/英尺，比同等長度的鋼管低大約75%，后者的生命周期排放量為27.35千克二氧化碳當量/英尺。

這些估計不包括潛在的泄漏差異。具體而言，復合材料管具有連續結構，可以生產更長的管段，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將各部分連接在一起，這可能會增加泄漏或其他問題的風險。此外，美國約有一半的鋼制管道已超過50年的歷史，增加了泄漏的可能性和維護成本。復合材料管的另一個優點是，它可以拉過鋼制管道，從而重新利用老化的鋼制管道來運輸不同的材料，同時也減少了對新路權和相關許可的需求。

盡管使用復合材料的優勢，但尚未制定標準，以允許安全運輸超臨界二氧化碳和氫氣。在聯邦層面，管道安全由交通部的管道和危險材料管理局（PHMSA）管理。為確保能源和其他危險材料的安全運輸，PHMSA制定國家政策，制定和執行標準，進行教育，并進行研究以防止事故。然而，在運輸超臨界液體、氣體或亞臨界液體狀態下的氫氣或二氧化碳的復合材料管方面，沒有任何標準。

重新利用現有的基礎設施是至關重要的，因為無論哪種類型的管道，其選址往往是具有挑戰性的。雖然天然氣管道和一些石油管道可以根據聯邦法律，如《天然氣法》或《州際商業法》援引征用權條款，但對于氫氣和二氧化碳管道來說，沒有這樣的聯邦授權。在一些州，具體的法規涉及到二氧化碳管道的征用權。這些法律通常規定了啟動征用權程序的程序，確定支付給財產所有者的補償金額，并解決與征用權有關的糾紛。

行動計劃

我們如何才能在使用低排放材料的同時建立一個龐大的二氧化碳和氫氣管道網絡？

PHMSA、工業界和感興趣的利益相關者應共同努力，制定使用復合材料管道運輸氫氣和超臨界二氧化碳的安全標準。沒有標準，就沒有允許使用復合材料管道的途徑。這種合作可以在PHMSA最近宣布更新其二氧化碳運輸標準的背景下進行。

歐洲在這方面領先于美國，因為船級社DNV目前正在開展一個聯合行業項目，審查使用熱塑性管材運輸氫氣的成本和風險。這項工作將為歐盟的監管者提供信息，他們目前正在修訂氫氣基礎設施的標準。歐洲清潔氫氣聯盟最近通過了一份 "氫氣標準化路線圖"，明確建議為非金屬管道制定標準。在實際可行的范圍內，如果標準相似，將有利于美國產品的出口市場。

國會應通過頒布《國家環境政策法》（NEPA）下的立法分類來簡化鋼管的改造。NEPA要求聯邦機構評估可能對環境產生重大影響的行動。分類豁免（CE）是被確定為沒有重大環境影響的行動類別，因此不需要在進行環境評估（EA）或環境影響報告（EIS）。CEs可以在幾天內得到處理，從而加快了對合格行動的審查。

在國會啟動對《2020年保護我們的管道基礎設施和加強安全（PIPES）法案》的重新授權時，應考慮上述兩個想法。在對管道安全的其他改進中，PIPES法案重新授權PHMSA到2023財政年度。隨著國會開始為PHMSA制定下一個重新授權的法案，現在是審查行業狀況的最佳時機，包括復合管加速能源轉型的潛力。

清潔能源示范辦公室在評估資助項目時應考慮建筑材料的隱含排放。有計劃考慮建筑材料的隱含物排放的申請者可以在選擇過程中獲得額外的權重。

復合材料在許多其他應用中具有優勢，不僅僅是管道。能源效率和可再生能源辦公室（EERE）應支持研究，以進一步提高復合材料管道的性能，同時改善生命周期的排放。除了正在進行的降低鋼鐵和混凝土排放強度的努力外，EERE應支持管道和其他應用的替代性復合材料的創新。

結論

最近的立法將激發下一代清潔能源基礎設施的建設，資金也創造了一個機會，以部署生命周期內溫室氣體排放量較低的建筑材料。這一點很重要，因為使用高輻射工藝建造龐大的管道網絡會破壞立法的目標。然而，監管法規仍然是一個障礙，因為它沒有為使用復合材料提供一個途徑。PHMSA和工業界應開始討論建立必要的安全標準，國會應與工業界和監管機構合作，在改造鋼鐵管道時簡化NEPA程序。隨著美國開始建設氫氣和碳捕獲、利用和儲存網絡，重新授權《管道法》提供了一個極好的機會來大大降低排放。

此文由中國復合材料工業協會綜編，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。