近日弓匪，英國首個天然氣摻氫比例達(dá)到20%(體積百分比)的示范項(xiàng)目投入運(yùn)行酷它，據(jù)悉荸跃，本項(xiàng)目第一階段通過斯塔福德郡基爾大學(xué)自有天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫并向100戶家庭和30座教學(xué)樓供氣。測試成功后掺胖，該項(xiàng)目還將在英國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)模的測試冲雾。

事實(shí)上，我國吉林省白城市盾叭、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奥怪。天然氣混合氫氣一直是國內(nèi)外氫氣運(yùn)輸和規(guī)模化利用的重要研究方向肄高，對促進(jìn)我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有更為重要的意義盘瞧。

對此，國發(fā)能研院柒浙、綠能智庫認(rèn)為：一方面膘掰，我國天然氣需求持續(xù)上升，2019年對外依存度高達(dá)44%佳遣，氫氣替代部分天然氣燃燒提供熱能和電能识埋，有利于緩解天然氣供應(yīng)壓力，提升我國能源安全水平;另一方面零渐，若能充分利用現(xiàn)有西氣東輸窒舟、川氣東輸?shù)扔?萬公里天然氣主干管網(wǎng)和龐大的支線管網(wǎng)摻氫運(yùn)輸，不僅可低成本實(shí)現(xiàn)氫氣大范圍輸運(yùn)诵盼，更有力地促進(jìn)西部可再生能源制氫的發(fā)展惠豺，為氫能產(chǎn)業(yè)提供綠色低廉的氫氣，并對實(shí)現(xiàn)我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型意義重大风宁。

天然氣摻氫是氫能研究熱點(diǎn)

截止2019年年初洁墙，據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示，各國有37個示范項(xiàng)目正在研究天然氣網(wǎng)絡(luò)中摻氫。研究項(xiàng)目中包括通過天然氣配送網(wǎng)絡(luò)摻氫為家庭和企業(yè)供熱可行性热监、測試天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫比例對天然氣輸配關(guān)鍵設(shè)備捺弦、材料、終端設(shè)備和電器的影響涉姆、摻氫天然氣地下儲存的技術(shù)和監(jiān)測要求等耕粪。

同時，天然氣摻氫標(biāo)準(zhǔn)研究工作紛紛推進(jìn)绳弯。在歐洲妨宙，HyReady和HIPS-Net等技術(shù)委員會和行業(yè)組織正在研究摻氫的標(biāo)準(zhǔn)，而歐盟委員會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)耗砖。

國發(fā)能研院伐歇、綠能智庫梳理發(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)廉旅，經(jīng)濟(jì)性和安全性都有待完善磁姻。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極其配套設(shè)施桌苔，在工業(yè)和建筑領(lǐng)域仍缺乏成熟的應(yīng)用場景和商業(yè)模式革睬。天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫是解決上述問題的有效方案，近年來一直是國外研究和測試的熱點(diǎn)腻喇。

按照國內(nèi)目前不足5000輛示范運(yùn)行的氫燃料電池公交車竣康、客車和物流車來估算，年用氫量不超過2萬噸;2025年瓢谢，按照中國氫能聯(lián)盟預(yù)測的5萬輛用車規(guī)模估算畸写，用氫量也不到20萬噸。而據(jù)IEA測算氓扛，2018年全球天然氣需求達(dá)3.9萬億立方米枯芬，其中摻氫3%(體積分?jǐn)?shù))就可拉動1200萬噸氫氣消納，若氫氣主要來自電解槽采郎，電解槽裝機(jī)容量需求可達(dá)100GW千所，這會使電解槽投資成本降低50%，有效降低低碳?xì)錃庵苽涑杀舅饴瘢鴵綒涞某杀緝H會略微增加0.3美元-0.4美元/kg真慢。

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。氫的能量密度低理茎，大約是天然氣的1/3，保持相同壓力下?lián)綒鋾档洼斔蜌怏w的能量含量管嬉。IEA數(shù)據(jù)顯示皂林，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，最終用戶天然氣需求量有所上升密巷。

天然氣管網(wǎng)中摻氫比例受到的限制多抵刺。摻氫上限取決于與其相連的設(shè)備，管網(wǎng)范圍越大循贝，設(shè)備越多衫喜，對摻氫上限的要求可能越嚴(yán)格。例如尉利，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】伤浚現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)和密封無法適應(yīng)高比例的氫氣，摻氫比例需低于5%汤顷。已安裝的燃?xì)獍l(fā)動機(jī)因相同原因氓愿，氫的最大濃度為2%。

圖1 天然氣價值鏈各環(huán)節(jié)允許的最大摻氫比例(來源：IEA)

更大的挑戰(zhàn)來自安全性及對應(yīng)的檢測和管理體系的完善递促。

金屬材料在氫環(huán)境下有可能發(fā)生氫脆問題咪轩，氫氣對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重要因素送魁。另外氫的摻入會使點(diǎn)火能量降低涉粘、泄漏速率加快、可燃范圍增大笨奠，摻氫比例的增加會使泄漏袭蝗、燃爆危險相應(yīng)增加。檢測手段和設(shè)備需要完善艰躺，現(xiàn)有的管道完整性管理也需做調(diào)整適應(yīng)摻氫帶來的影響呻袭。

因?yàn)槊媾R諸多挑戰(zhàn)，天然氣摻氫的標(biāo)準(zhǔn)在包括我國在內(nèi)的多個國家仍有空白腺兴。推進(jìn)更為積極的歐洲國家也表現(xiàn)謹(jǐn)慎左电，大多數(shù)國家和地區(qū)設(shè)置摻氫比例不超過2%，少數(shù)國家和地區(qū)設(shè)定為4%到6%之間页响，德國雖然規(guī)定上限為10%篓足，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%以下闰蚕。在一些相關(guān)設(shè)備的規(guī)格方面也存在限制栈拖，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 部分國家和地區(qū)允許的最大摻氫比例(來源：IEA)

*如果沒有連接到該網(wǎng)絡(luò)的壓縮天然氣加氣站没陡，則德國適用更高的限額;荷蘭的上限適用于高熱量氣體;當(dāng)管道壓力大于16bar時涩哟，立陶宛適用更高的極限。

天然氣主干管道摻氫運(yùn)輸有待時日

主干管網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)天然氣遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸送焊循，在我國與可再生能源的分布和輸送方向高度吻合帝愉，通過天然氣主干網(wǎng)輸送氫氣在多個方面具有重大意義最咖，但目前尚不具備條件。

我國對該領(lǐng)域研究有所欠缺暖麻。在“十一五”碑甘、“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)專項(xiàng)所列的9個與氫能相關(guān)的項(xiàng)目瘾手，均無天然氣摻氫的研究销顷。

主干管網(wǎng)輸送壓力較高，我國西氣東輸三線輸送壓力就達(dá)12MPa光拥，較高壓力下氫氣對管道材料的影響變大灼烫。而天然氣成分不同、管道材料不同珍询、管道工況不同圆乡，都使氫對管網(wǎng)材料的影響程度存在差異，國際上的研究成果不宜直接照搬策橘，摻氫天然氣主干管網(wǎng)安全摻氫比例標(biāo)準(zhǔn)尚無法確定炸渡。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題等基礎(chǔ)研究工作需扎實(shí)推進(jìn)丽已。

另外蚌堵，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)沛婴，會增加較高的成本吼畏，以變壓吸附為例，根據(jù)混合水平和最終使用需求嘁灯，有研究數(shù)據(jù)表明其成本在3美元-6美元/kg泻蚊。

國發(fā)能研院、綠能智庫認(rèn)為丑婿，盡管仍有較長的路要走性雄，但我國天然氣管網(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)時應(yīng)盡可能考慮未來輸送摻氫天然氣的需求羹奉，提高未來摻氫輸送的可行性秒旋。在管材選擇上加強(qiáng)對氫脆現(xiàn)象的防護(hù)處理，加強(qiáng)對管道損傷诀拭、裂縫的探查和處理援丐。對管道的焊縫要提出更高的要求，使其對氫脆現(xiàn)象有更強(qiáng)的防護(hù)能力传撰。

圖3 我國天然氣各年干線管網(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)分類中苇给，城市燃?xì)夂凸I(yè)用氣占據(jù)七成以上，且呈現(xiàn)較快上升趨勢距搂，這為摻氫天然氣直接混燒創(chuàng)造了有利條件履字。

圖4 我國天然氣消費(fèi)各領(lǐng)域分類(來源：中國石化)

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)備猪褐，有研究發(fā)現(xiàn)，我國配送管網(wǎng)受氫損傷風(fēng)險低攀瘟，摻氫可行性更高。

天然氣配送管網(wǎng)范圍更靈活失跷，運(yùn)送形式更多樣诉玲，局部摻氫可行性高，便于分期進(jìn)行測試叔梆，便于安全管理和風(fēng)險控制沫流。

而終端設(shè)備對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筑凫，而荷蘭Ameland項(xiàng)目混合30%的氫未發(fā)現(xiàn)對家庭設(shè)備造成影響滑沧，包括鍋爐、燃?xì)庠詈团腼冇镁摺?/p>

2019年9月巍实，作為國內(nèi)首個電解制氫摻入天然氣項(xiàng)目滓技，國家電投集團(tuán)公司朝陽可再生能源摻氫示范項(xiàng)目第一階段工程圓滿完工。該項(xiàng)目采用集裝箱式貨車運(yùn)送高壓氫瓶棚潦，在使用單位通過摻混設(shè)施實(shí)現(xiàn)天然氣摻氫示范燃燒令漂。在電力制氫和氫氣流量隨動定比摻混、天然氣管道材料與氫氣相容性分析丸边、摻氫天然氣多元化應(yīng)用等技術(shù)的成熟性叠必、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)條件妹窖。據(jù)中國石化數(shù)據(jù)顯示纬朝，LNG重卡2019年上半年銷量同比增長3.1倍，累計(jì)銷售8.5萬輛骄呼，2020年預(yù)計(jì)天然氣汽車保有量將超過700萬輛共苛。研究表明，在天然氣中摻混20%的氫氣谒麦，天然氣汽車和加氣設(shè)施改動小杏住，發(fā)動機(jī)熱效率可提高15%，經(jīng)濟(jì)性提高8%援愁，污染物排放降低60%~80%贫拭。據(jù)報(bào)道，四川省將開展天然氣摻氫汽車示范径揭，推動氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展耍叮。

國發(fā)能研院、綠能智庫認(rèn)為雌夕，天然氣摻氫仍是有效輸送和利用氫氣的重要方式滋评，我國現(xiàn)階段應(yīng)集中力量開展研究和測試工作朵泌，同時提高多樣化利用水平，在具備條件的地區(qū)率先開展天然氣摻氫混燒領(lǐng)域的示范應(yīng)用购廊，有利于促進(jìn)氫能規(guī)模消納岳舔，推動氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。