近日，英國(guó)首個(gè)天然氣摻氫比例達(dá)到20%(體積百分比)的示范項(xiàng)目投入運(yùn)行，據(jù)悉，本項(xiàng)目第一階段通過(guò)斯塔福德郡基爾大學(xué)自有天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫并向100戶(hù)家庭和30座教學(xué)樓供氣。測(cè)試成功后，該項(xiàng)目還將在英國(guó)東北部和西北部天然氣網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行更大范圍和規(guī)模的測(cè)試。
事實(shí)上，我國(guó)吉林省白城市、四川省成都市等地氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中也都提到了天然氣摻氫。天然氣混合氫氣一直是國(guó)內(nèi)外氫氣運(yùn)輸和規(guī)模化利用的重要研究方向，對(duì)促進(jìn)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有更為重要的意義。
對(duì)此，國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)認(rèn)為：一方面，我國(guó)天然氣需求持續(xù)上升，2019年對(duì)外依存度高達(dá)44%，氫氣替代部分天然氣燃燒提供熱能和電能，有利于緩解天然氣供應(yīng)壓力，提升我國(guó)能源安全水平;另一方面，若能充分利用現(xiàn)有西氣東輸、川氣東輸?shù)扔?萬(wàn)公里天然氣主干管網(wǎng)和龐大的支線(xiàn)管網(wǎng)摻氫運(yùn)輸，不僅可低成本實(shí)現(xiàn)氫氣大范圍輸運(yùn)，更有力地促進(jìn)西部可再生能源制氫的發(fā)展，為氫能產(chǎn)業(yè)提供綠色低廉的氫氣，并對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型意義重大。
天然氣摻氫是氫能研究熱點(diǎn)
截止2019年年初，據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示，各國(guó)有37個(gè)示范項(xiàng)目正在研究天然氣網(wǎng)絡(luò)中摻氫。研究項(xiàng)目中包括通過(guò)天然氣配送網(wǎng)絡(luò)摻氫為家庭和企業(yè)供熱可行性、測(cè)試天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫比例對(duì)天然氣輸配關(guān)鍵設(shè)備、材料、終端設(shè)備和電器的影響、摻氫天然氣地下儲(chǔ)存的技術(shù)和監(jiān)測(cè)要求等。
同時(shí)，天然氣摻氫標(biāo)準(zhǔn)研究工作紛紛推進(jìn)。在歐洲，HyReady和HIPS-Net等技術(shù)委員會(huì)和行業(yè)組織正在研究摻氫的標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟委員會(huì)也在研究氫在天然氣網(wǎng)絡(luò)中的作用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)梳理發(fā)現(xiàn)，氫能運(yùn)輸是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)性和安全性都有待完善。而氫能利用目前主要聚焦在交通領(lǐng)域，特別是氫燃料電池汽車(chē)極其配套設(shè)施，在工業(yè)和建筑領(lǐng)域仍缺乏成熟的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式。天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫是解決上述問(wèn)題的有效方案，近年來(lái)一直是國(guó)外研究和測(cè)試的熱點(diǎn)。
按照國(guó)內(nèi)目前不足5000輛示范運(yùn)行的氫燃料電池公交車(chē)、客車(chē)和物流車(chē)來(lái)估算，年用氫量不超過(guò)2萬(wàn)噸;2025年，按照中國(guó)氫能聯(lián)盟預(yù)測(cè)的5萬(wàn)輛用車(chē)規(guī)模估算，用氫量也不到20萬(wàn)噸。而據(jù)IEA測(cè)算，2018年全球天然氣需求達(dá)3.9萬(wàn)億立方米，其中摻氫3%(體積分?jǐn)?shù))就可拉動(dòng)1200萬(wàn)噸氫氣消納，若氫氣主要來(lái)自電解槽，電解槽裝機(jī)容量需求可達(dá)100GW，這會(huì)使電解槽投資成本降低50%，有效降低低碳?xì)錃庵苽涑杀?，而摻氫的成本僅會(huì)略微增加0.3美元-0.4美元/kg。
天然氣摻氫仍面臨挑戰(zhàn)
相同工況下?lián)綒浣档吞烊粴饩W(wǎng)絡(luò)輸送能量。氫的能量密度低，大約是天然氣的1/3，保持相同壓力下?lián)綒鋾?huì)降低輸送氣體的能量含量。IEA數(shù)據(jù)顯示，在天然氣輸送管道中加入3%的氫氣，將使管道輸送的能量減少2%左右，最終用戶(hù)天然氣需求量有所上升。
天然氣管網(wǎng)中摻氫比例受到的限制多。摻氫上限取決于與其相連的設(shè)備，管網(wǎng)范圍越大，設(shè)備越多，對(duì)摻氫上限的要求可能越嚴(yán)格。例如，摻氫后使用天然氣作為原料的化工企業(yè)可能需要調(diào)整工藝和流程?，F(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)和密封無(wú)法適應(yīng)高比例的氫氣，摻氫比例需低于5%。已安裝的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)因相同原因，氫的最大濃度為2%。
圖1 天然氣價(jià)值鏈各環(huán)節(jié)允許的最大摻氫比例(來(lái)源：IEA)
更大的挑戰(zhàn)來(lái)自安全性及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)和管理體系的完善。
金屬材料在氫環(huán)境下有可能發(fā)生氫脆問(wèn)題，氫氣對(duì)輸送管道的影響主要是材料韌性的損失和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的增加，這是影響摻氫比例的一個(gè)重要因素。另外氫的摻入會(huì)使點(diǎn)火能量降低、泄漏速率加快、可燃范圍增大，摻氫比例的增加會(huì)使泄漏、燃爆危險(xiǎn)相應(yīng)增加。檢測(cè)手段和設(shè)備需要完善，現(xiàn)有的管道完整性管理也需做調(diào)整適應(yīng)摻氫帶來(lái)的影響。
因?yàn)槊媾R諸多挑戰(zhàn)，天然氣摻氫的標(biāo)準(zhǔn)在包括我國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家仍有空白。推進(jìn)更為積極的歐洲國(guó)家也表現(xiàn)謹(jǐn)慎，大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)設(shè)置摻氫比例不超過(guò)2%，少數(shù)國(guó)家和地區(qū)設(shè)定為4%到6%之間，德國(guó)雖然規(guī)定上限為10%，但如果壓縮天然氣加氣站連接到網(wǎng)絡(luò)，則該比例大幅下調(diào)到2%以下。在一些相關(guān)設(shè)備的規(guī)格方面也存在限制，歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燃?xì)廨啓C(jī)所供天然氣的氫含量必須低于1%。
圖2 部分國(guó)家和地區(qū)允許的最大摻氫比例(來(lái)源：IEA)
*如果沒(méi)有連接到該網(wǎng)絡(luò)的壓縮天然氣加氣站，則德國(guó)適用更高的限額;荷蘭的上限適用于高熱量氣體;當(dāng)管道壓力大于16bar時(shí)，立陶宛適用更高的極限。
天然氣主干管道摻氫運(yùn)輸有待時(shí)日
主干管網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)天然氣遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸送，在我國(guó)與可再生能源的分布和輸送方向高度吻合，通過(guò)天然氣主干網(wǎng)輸送氫氣在多個(gè)方面具有重大意義，但目前尚不具備條件。
我國(guó)對(duì)該領(lǐng)域研究有所欠缺。在“十一五”、“十二五”、“十三五”涉氫科技攻關(guān)項(xiàng)目和2019年科技部“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)所列的9個(gè)與氫能相關(guān)的項(xiàng)目，均無(wú)天然氣摻氫的研究。
主干管網(wǎng)輸送壓力較高，我國(guó)西氣東輸三線(xiàn)輸送壓力就達(dá)12MPa，較高壓力下氫氣對(duì)管道材料的影響變大。而天然氣成分不同、管道材料不同、管道工況不同，都使氫對(duì)管網(wǎng)材料的影響程度存在差異，國(guó)際上的研究成果不宜直接照搬，摻氫天然氣主干管網(wǎng)安全摻氫比例標(biāo)準(zhǔn)尚無(wú)法確定。諸如管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗(yàn)、摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問(wèn)題等基礎(chǔ)研究工作需扎實(shí)推進(jìn)。
另外，將氫混合到天然氣中運(yùn)輸，如果需要在最終使用地點(diǎn)將氫分離(目前終端利用方式都需要此操作)，會(huì)增加較高的成本，以變壓吸附為例，根據(jù)混合水平和最終使用需求，有研究數(shù)據(jù)表明其成本在3美元-6美元/kg。
國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)認(rèn)為，盡管仍有較長(zhǎng)的路要走，但我國(guó)天然氣管網(wǎng)建設(shè)十四五期間將有相當(dāng)大空間，新增主干管網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮未來(lái)輸送摻氫天然氣的需求，提高未來(lái)?yè)綒漭斔偷目尚行?。在管材選擇上加強(qiáng)對(duì)氫脆現(xiàn)象的防護(hù)處理，加強(qiáng)對(duì)管道損傷、裂縫的探查和處理。對(duì)管道的焊縫要提出更高的要求，使其對(duì)氫脆現(xiàn)象有更強(qiáng)的防護(hù)能力。
圖3 我國(guó)天然氣各年干線(xiàn)管網(wǎng)總里程
摻氫天然氣混燒應(yīng)率先推廣
在天然氣終端消費(fèi)分類(lèi)中，城市燃?xì)夂凸I(yè)用氣占據(jù)七成以上，且呈現(xiàn)較快上升趨勢(shì)，這為摻氫天然氣直接混燒創(chuàng)造了有利條件。
圖4 我國(guó)天然氣消費(fèi)各領(lǐng)域分類(lèi)(來(lái)源：中國(guó)石化)
天然氣配送管道通常以1MPa以下的較低壓力輸送到終端使用設(shè)備，有研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)配送管網(wǎng)受氫損傷風(fēng)險(xiǎn)低，摻氫可行性更高。
天然氣配送管網(wǎng)范圍更靈活，運(yùn)送形式更多樣，局部摻氫可行性高，便于分期進(jìn)行測(cè)試，便于安全管理和風(fēng)險(xiǎn)控制。
而終端設(shè)備對(duì)摻氫天然氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)也有更高的接受程度，控制在23%摻氫比例可使灶具正常工作，而荷蘭Ameland項(xiàng)目混合30%的氫未發(fā)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備造成影響，包括鍋爐、燃?xì)庠詈团腼冇镁摺?/p>
2019年9月，作為國(guó)內(nèi)首個(gè)電解制氫摻入天然氣項(xiàng)目，國(guó)家電投集團(tuán)公司朝陽(yáng)可再生能源摻氫示范項(xiàng)目第一階段工程圓滿(mǎn)完工。該項(xiàng)目采用集裝箱式貨車(chē)運(yùn)送高壓氫瓶，在使用單位通過(guò)摻混設(shè)施實(shí)現(xiàn)天然氣摻氫示范燃燒。在電力制氫和氫氣流量隨動(dòng)定比摻混、天然氣管道材料與氫氣相容性分析、摻氫天然氣多元化應(yīng)用等技術(shù)的成熟性、可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。
在交通領(lǐng)域推廣天然氣摻氫燃料也具備較好的實(shí)現(xiàn)條件。據(jù)中國(guó)石化數(shù)據(jù)顯示，LNG重卡2019年上半年銷(xiāo)量同比增長(zhǎng)3.1倍，累計(jì)銷(xiāo)售8.5萬(wàn)輛，2020年預(yù)計(jì)天然氣汽車(chē)保有量將超過(guò)700萬(wàn)輛。研究表明，在天然氣中摻混20%的氫氣，天然氣汽車(chē)和加氣設(shè)施改動(dòng)小，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率可提高15%，經(jīng)濟(jì)性提高8%，污染物排放降低60%~80%。據(jù)報(bào)道，四川省將開(kāi)展天然氣摻氫汽車(chē)示范，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
國(guó)發(fā)能研院、綠能智庫(kù)認(rèn)為，天然氣摻氫仍是有效輸送和利用氫氣的重要方式，我國(guó)現(xiàn)階段應(yīng)集中力量開(kāi)展研究和測(cè)試工作，同時(shí)提高多樣化利用水平，在具備條件的地區(qū)率先開(kāi)展天然氣摻氫混燒領(lǐng)域的示范應(yīng)用，有利于促進(jìn)氫能規(guī)模消納，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
