為實(shí)現(xiàn)英國溫室氣體排放目標(biāo)且做出重大貢獻(xiàn)，英國氫能基礎(chǔ)設(shè)施部署計(jì)劃將需要在未來30年內(nèi)實(shí)施，并且規(guī)模是“相當(dāng)大”的。這個(gè)時(shí)間表顯然雄心勃勃，與電力和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展形成鮮明對比，電力和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)發(fā)展了大約150年。

雖然氫氣已經(jīng)被大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氫氣的生產(chǎn)是十分成熟的技術(shù)，但對于能源應(yīng)用領(lǐng)域，關(guān)于氫的經(jīng)驗(yàn)仍然十分有限，還沒有網(wǎng)絡(luò)向英國或其他地方的家庭和企業(yè)提供100％氫氣的例子。任何大規(guī)模部署氫的提議都需要得到足夠重視，以彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)的不足和時(shí)間表的加速。因此，在開始大規(guī)模部署計(jì)劃之前，必須確定并全面解決工程風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

為了大規(guī)模在工業(yè)、家庭和企業(yè)的天然氣網(wǎng)絡(luò)中部署氫氣，英國化學(xué)工程師學(xué)會(huì)（IChemE）、工程與技術(shù)學(xué)院（IET）、機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（IMechE）等機(jī)構(gòu)共同發(fā)布了《向氫能過渡》報(bào)告，從專業(yè)技術(shù)角度評估轉(zhuǎn)變過程中的工程風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。從報(bào)告中他們提出了包括安全、技術(shù)在內(nèi)的關(guān)鍵性的問題。

雖然我國目前與英國的能源結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境差別巨大，但作為氫能是未來能源發(fā)展的重要方向，該報(bào)告提出的問題值得借鑒和思考，總結(jié)了報(bào)告中的十個(gè)主要問題如下：

問題1－是否存在與氫氣質(zhì)量和安全相關(guān)的問題，會(huì)妨礙特定技術(shù)的使用？

針對質(zhì)量控制和監(jiān)測需要特別考慮氫氣純度的建議。這需要考慮到出于安全原因所需的氣味劑、火焰著色劑，以及常年使用加臭天然氣造成污染而引起的雜質(zhì)。應(yīng)確定對特定技術(shù)使用的氫氣的限制，以及提出如何解決這些問題的建議，例如：“為燃料電池提供高純度氫氣。”

問題2－氫能源網(wǎng)絡(luò)對公共安全的風(fēng)險(xiǎn)以及如何將這些風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的水平？

氫與天然氣不同，但與其使用相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)有相似之處。重要的是要了解風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別有何不同，以及為何不同。需要評估和解決這些差異，特別是在將消費(fèi)者場所內(nèi)的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施重新用于氫氣的情況下。風(fēng)險(xiǎn)可以分為與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)但存在于公共環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)，以及存在于消費(fèi)者場所的風(fēng)險(xiǎn)。例如：

－ 網(wǎng)絡(luò)

包括用于連接、維護(hù)和修理的輸送氫氣和相關(guān)泄漏檢測的管道、配件、其他組件和基礎(chǔ)設(shè)施。在緊急情況下的緊急程序修訂、管理人員和操作人員培訓(xùn)以及急救人員的現(xiàn)場行動(dòng)等。

－消費(fèi)者場所

包括電器、氫氣通風(fēng)要求等。評估需要認(rèn)識(shí)到，消費(fèi)者場所存在的風(fēng)險(xiǎn)是不受控的，受到的干擾意外損壞將會(huì)更大。

當(dāng)然存在與氫氣生產(chǎn)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，但都是在受控制的工業(yè)環(huán)境中，并且工業(yè)環(huán)境中已經(jīng)具有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)。

問題3－將建筑物的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施（管道、電器、通風(fēng)）與氫氣一起使用，需要哪些改造？

消費(fèi)者場中在氣體基礎(chǔ)設(shè)施和電器方面基本上沒有記錄，呈現(xiàn)出一種無法控制的環(huán)境。例如，現(xiàn)有房屋中的燃?xì)夤艿揽赡馨�含不符合現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的不同材料（鋼、銅）。建筑物的通風(fēng)要求也可能與氫氣的要求有所不同，從而需要其他形式的探測器監(jiān)測泄露。氫氣基礎(chǔ)設(shè)施及其在消費(fèi)者場所內(nèi)的使用沒有標(biāo)準(zhǔn)，也沒有相關(guān)的足夠多的知識(shí)、資源和經(jīng)驗(yàn)。如果轉(zhuǎn)換為氫氣，需要更換所有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，必需要確定成本和轉(zhuǎn)換后果，并將其納入其他所有的部署計(jì)劃。

然而，氫的部署也提供了增加裝置安全性的機(jī)會(huì)。例如，拆除被認(rèn)為不安全的燃?xì)馄骶咭约吧��?jí)管道和其他基礎(chǔ)設(shè)施。

問題4－需要哪些RD＆D（研究、開發(fā)和驗(yàn)證）計(jì)劃才能決定大規(guī)模部署氫氣？

除了工業(yè)之外，在英國或其他地方都沒有氫氣的商業(yè)或家用使用經(jīng)驗(yàn)。盡管英國和全球其他地方在氫氣生產(chǎn)和輸送方面擁有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，但這主要限于石油化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域。目前，大多數(shù)評估氫系統(tǒng)的研究都是基于成本、部署和性能假設(shè)的“桌面分析”。氫氣的大規(guī)模部署將需要生產(chǎn)、輸送、分配、儲(chǔ)存和消費(fèi)技術(shù)，而相關(guān)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)很少或沒有。這將需要一個(gè)綜合的研究和開發(fā)計(jì)劃部署，來評估各種技術(shù)的商業(yè)化。

問題5－向氫轉(zhuǎn)變會(huì)對公眾產(chǎn)生怎樣的影響？

公眾的支持和接受度對氫的部署至關(guān)重要。提高公眾意識(shí)必須成為政府和工業(yè)界的優(yōu)先事項(xiàng)，需要進(jìn)行全面評估，以了解向氫轉(zhuǎn)變對家庭和商業(yè)消費(fèi)者的影響。

問題6－與氫基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的核心績效和成本假設(shè)是什么？未來改進(jìn)的范圍是什么？

與氫系統(tǒng)部署相關(guān)的核心性能和成本數(shù)據(jù)主要是基于假設(shè)或工業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)。因此，需要識(shí)別和解決與這些假設(shè)相關(guān)的不確定性。例如，使用CCuS的蒸汽甲烷重整僅限一處，并且目前還沒有使用CCuS的自熱重整（ATR）單元。

需要定期收集和審查以作為證據(jù)的一個(gè)例子是BEIS的包括用于加熱的氫氣的“熱技術(shù)研究”。這有助于確定關(guān)鍵成本、性能不確定性以及需要進(jìn)一步研究和調(diào)查的地方。還包括氫氣生產(chǎn)工廠提供靈活支持的能力以及對效率等其他參數(shù)的影響。

將氫氣部分替換到天然氣系統(tǒng)（體積計(jì)高達(dá)20％的氫氣）可以提供獲得可行的成本和性能數(shù)據(jù)，而不會(huì)產(chǎn)生與高純度氫氣相關(guān)的成本，例如更換家用電器。但仍然需要可擴(kuò)展的商業(yè)規(guī)模的氫生產(chǎn)設(shè)施以及CCuS基礎(chǔ)設(shè)施。IGEM和IMechE已經(jīng)推薦了向天然氣中添加氫氣的方法，并且與英國政府在2019年春季一致聲明，即加速“通過增加電網(wǎng)中綠色氣體的比例來減少天然氣供應(yīng)”。

問題7－大規(guī)模部署氫氣對家庭和企業(yè)環(huán)境有什么影響？

需要進(jìn)行環(huán)境評估，以評估大規(guī)模部署氫氣所產(chǎn)生的影響。已經(jīng)進(jìn)行了初步研究，并確定了進(jìn)一步的工作，特別是在上游排放方面。這需要涵蓋從生產(chǎn)到消費(fèi)的方方面面，包括原料和廢物流。它還需要評估包括來自燃燒的排放物，例如NOx、水蒸氣和來自“意外后果”的任何環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

問題8－如何向氫氣過渡？

以前沒有在任何地方進(jìn)行氫的大規(guī)模改造部署，因此存在許多不確定性。盡管對20世紀(jì)70年代天然氣的部署進(jìn)行了比較，但城鎮(zhèn)燃?xì)獾囊蕾嚦潭冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前，當(dāng)時(shí)天然氣占英國最終能源消耗總量的10％，而2017年則超過了50％。向氫的過渡將帶來巨大的挑戰(zhàn)，這可能意味著對調(diào)度的限制，例如，在空間采暖季節(jié)之外，為了盡量減少供氣中斷對消費(fèi)者的影響。

需要制定詳細(xì)的交付計(jì)劃，其中包括在決定開始大規(guī)模部署（例如＞ 10000個(gè)家庭）氫氣之前必須完成的所有各種活動(dòng)。

與此同時(shí)，需要調(diào)查工業(yè)轉(zhuǎn)向氫的潛力。一些工業(yè)應(yīng)用（例如蒸汽升溫和熱水鍋爐）似乎適合使用現(xiàn)有的技術(shù)轉(zhuǎn)化為100％氫氣；其他應(yīng)用可能還存在挑戰(zhàn)。

問題9－批量生產(chǎn)氫有哪些選擇？

低碳?xì)涞慕?jīng)濟(jì)化批量生產(chǎn)對于氫能源系統(tǒng)的可行性至關(guān)重要。甲烷蒸汽重整（SMR）已在工業(yè)中使用了近100年。碳捕獲的程度＜90％，然而，目前全球只有一家SMR工廠擁有CCuS。用于替代熱化學(xué)過程制氫的是自熱重整（ATR），可以允許更高水平的碳捕獲，可以達(dá)到＞ 95％的水平。然而，沒有ATR工廠擁有CCuS，如果這項(xiàng)技術(shù)支持氫的大規(guī)模部署，那么它需要被證明并且商業(yè)化。

其他形式的氫氣生產(chǎn)包括電解、生物和太陽能，所有這些形式都處于不同的發(fā)展階段。目前，這些技術(shù)中沒有一種能夠與天然氣競爭并商業(yè)化批量生產(chǎn)。這些技術(shù)和其他技術(shù)的未來發(fā)展?jié)摿π枰�進(jìn)一步研究。

從生產(chǎn)成本較低的國家進(jìn)口氫氣的可行性也值得調(diào)查。例如，當(dāng)安裝在太陽輻射高于英國的地方時(shí)，太陽能光伏發(fā)電成本要低得多。但是，需要運(yùn)輸氫氣，并且可能存在其他額外成本，例如電解所需的水。

問題10－在決定向氫氣轉(zhuǎn)換之前，是否可以采取任何可以加速轉(zhuǎn)變的行動(dòng)？

部署氫氣的詳細(xì)計(jì)劃將有助于確定過渡的“關(guān)鍵路徑”，從中可以評估先期行動(dòng)成本。例如，制造適應(yīng)氫氣的燃?xì)馄骶邔�減少更換成本且更易于向氫氣過渡。其他行動(dòng)可能包括勘測建筑物以評估轉(zhuǎn)換為氫氣的準(zhǔn)備情況，并加速聚乙烯替換“有風(fēng)險(xiǎn)”的鐵制管道。

轉(zhuǎn)換前后的評估調(diào)查對于過程的安全可靠至關(guān)重要。所有這一切都必須得到一系列不斷放大的試驗(yàn)支持，例如從四個(gè)小型社區(qū)試驗(yàn)到兩個(gè)較大的社區(qū)試驗(yàn)。從而獲得經(jīng)驗(yàn)，并提供證據(jù)基礎(chǔ)以支撐任何基礎(chǔ)監(jiān)管程序的發(fā)展。

可以考慮用氫氣部分替換天然氣，因?yàn)檫@樣可以獲得早期經(jīng)驗(yàn)，而不需要許多用戶更改他們的設(shè)備，例如，氫氣生產(chǎn)、CCuS、氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展、氫氣／天然氣混合物的工業(yè)用途。

文／錢海