撰文 ｜ 王智鏑；編輯 ｜ 郭郭

→這是《環(huán)球零碳》的第220篇原創(chuàng)

摘要：“天然氣摻氫”擴大了氫氣的運用場景�！疤烊粴鈸綒洹辈粌H能增加天然氣的燃燒值；還可以利用天然氣管道等基礎設施，對現(xiàn)階段氫氣運輸、氫能的廣泛及規(guī)模運用開拓更多的可能性，并且能夠大大降低二氧化碳的排放�！疤烊粴鈸綒洹痹跒樯鐣�脫碳努力的同時，也面臨著一些安全方面和成本控制的挑戰(zhàn)。IRENA建議，各國政府應盡快對天然氣摻氫管道提供相應補貼。

氫氣，被認為是清潔能源的未來之星，將在能源舞臺上成為一種舉足輕重的能源。

但氫氣太輕，比我們呼吸的空氣還輕11倍。這一特性導致氫氣的儲存和運輸很困難，也限制了它的運用場景。

氫氣一般可以以兩種形式運輸或儲存：液體和氣體。氫氣作為液體保存時，在一個標準大氣壓下，需要降溫到－252．76℃，這將消耗大量能源；將氫氣作為氣體儲存時，通常需要高壓容器。

這些苛刻的要求，無疑會限制氫氣作為能源的廣泛使用。加上目前基礎設施、運輸方式等因素的限制，導致氫氣的運輸和儲存成本過高，成為氫氣在現(xiàn)有能源供應體系中未得到廣泛應用的重要原因。

為了解決這些困境，擴大氫氣的運用場景，人們想出了“天然氣摻氫”的方法，這為氫能的擴大使用范圍奠定了很好的基礎。

所謂天然氣摻氫，是指將一定比例的氫氣注入到天然氣中與天然氣混合形成的一種混合氣體（HCNG），是氫能利用的重要方向之一。

天然氣摻氫有一舉多得的效益：一是可以改變天然氣的燃燒特性，增加燃燒值；二是可以利用天然氣管道等基礎設施，對現(xiàn)階段氫氣運輸、氫能的廣泛及規(guī)模運用開拓更多的可能性；三是可以大大降低二氧化碳的排放。

比如根據(jù)印度德里一些城市的實驗，在公共汽車中，用富氫壓縮天然氣作為燃料，在天然氣中摻入18％左右的氫氣，可以減少高達70％的一氧化碳排放，同時節(jié)省 5％ 的燃料。

正因為這些顯而易見的好處，天然氣摻氫的“潮流”已經(jīng)席卷多國。截至今年5月，英國、美國、比利時、德國等國家均已啟動了天然氣摻氫規(guī)劃。

中國也有天然氣摻氫的商用項目落地。

今年初，國家電投集團宣布，首個燃氣輪機摻氫燃燒示范項目正式投運，整體方案可行性得到驗證。在現(xiàn)役天然氣機組中增加氫燃料來源，不僅能夠有效節(jié)約天然氣用量，保證冬季供暖安全穩(wěn)定，同時具有積極減碳效應。

此外，氫燃氣輪機可化解我國天然氣緊缺導致的燃機行業(yè)發(fā)展阻力，有利于推動燃氣輪機高端裝備制造產業(yè)升級。

01  天然氣摻氫的應用

氫能應用模式豐富，在交通運輸、工業(yè)、建筑等領域都可應用，包括作為燃料電池汽車用于交通運輸領域，為工業(yè)領域提供清潔的能源或原料等，分布式發(fā)電或熱電聯(lián)產為建筑提供電和熱。

因此，作為氫能的利用技術之一，摻氫天然氣不僅在管道運輸方面?zhèn)涫荜P注，在上述其他領域也有著巨大的減排潛力。

1／ 天然氣摻氫輸送

目前摻氫天然氣技術廣泛地運用在管道輸送方面。天然氣管網(wǎng)具有區(qū)域廣、輸送量高、傳輸距離長及費用低等優(yōu)勢，利用現(xiàn)役天然氣輸配管網(wǎng)與基礎設施摻氫輸送，可實現(xiàn)低成本、規(guī)�；�的氫能供應。

由于鋼材在氫氣環(huán)境下會產生氫損傷，包括氫脆、氫致裂紋、氫鼓泡等，此外在較高的溫度壓力下還會發(fā)生脫碳和氫蝕。其中氫脆（氫原子進入金屬晶格內部，使金屬材料內部產生裂紋的現(xiàn)象）是發(fā)展摻氫天然氣管道輸送技術的主要安全問題。

為解決氫運輸中這一問題，天然氣摻氫輸送提供了良好的解決方案。該系統(tǒng)主要包括在役天然氣管道系統(tǒng)、產氫裝置、壓縮裝置、降壓裝置、輸送裝置以及終端裝置。

天然氣摻氫輸送的工作流程為：通過新型的可再生能源電解水制氫；將氫氣壓縮后，存儲于儲氫裝置中；經(jīng)過降壓裝置的氫氣與穩(wěn)壓后的天然氣，氫氣流量依據(jù)天然氣輸送量的隨動注入摻混裝置中混合；利用天然氣管道及配套設施進行輸送，流經(jīng)輸送裝置時需考慮氫氣對管道、閥門及焊縫的影響；最后，經(jīng)終端裝置分輸給用戶。

目前，國際上尚未出臺摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)專用的標準規(guī)范，各國天然氣氣體質量規(guī)范中可允許的最大摻氫比例也各不相同，詳見下圖（特殊工況分別為：德國，未與管網(wǎng)連接的壓縮天然氣加氣站；立陶宛，壓力大于1．6MPa的天然氣管道；荷蘭，高熱值煤氣），大多數(shù)國家和地區(qū)設置的摻氫比例不超過2％，少數(shù)設定為4％～6％，德國雖然規(guī)定上限為10％，但如果壓縮天然氣加氣站連接到管網(wǎng)，則該比例大幅下調至2％以下。

我國目前缺乏專門針對氫氣管道的標準，我國天然氣管道輸送相關的標準規(guī)范《煤制合成天然氣》（GB／T33445—2017）《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》（GB／T 37124—2018）中，分別規(guī)定了混合氣體中氫氣比例上限不超過5％和3％；兩標準分別針對煤制合成天然氣和天然氣管網(wǎng)，考慮到天然氣／煤制天然氣生產過程中有氫氣，諸如焦爐煤氣中氫體積分數(shù)約50％、甲烷約30％，且氫氣含量作為一項重要技術指標，需嚴格控制，達到控制和保證天然氣／合成天然管網(wǎng)輸運安全。可以看出，各國對天然氣中氫氣含量要求較為嚴格，即便是開展了摻氫天然氣管道輸送相關示范和研發(fā)工作的國家，對天然氣中可摻氫比例依然相當謹慎，相關標準中規(guī)定的摻氫比例上限都未超過10％。

2／ 交通運輸

燃油汽車排放是污染城市空氣的重要來源之一。因氫氣具有不同于天然氣的特性：燃燒速度快、著火范圍較寬等，一定比例的摻氫天然氣運用于發(fā)動機中使用具有節(jié)能減排的優(yōu)勢，能夠使發(fā)動機性能大為提高，可改善燃燒特性，發(fā)動機的動力性、排放性均有明顯的改善。研究表明，在天然氣中摻混20％的氫氣，發(fā)動機熱效率可提高15％，經(jīng)濟性提高8％，污染物排放降低60％～80％。

在船運中，船用LNG動力發(fā)動機以混燒機和雙燃料發(fā)動機為主。由于天然氣中90％左右的體積分數(shù)由甲烷組成，甲烷沒有C－C鏈，因此燃燒基本不會產生碳煙，使用天然氣作為燃料能保證船舶在降低NOx和CO排放的同時，使SOx排放基本為零，而摻氫天然氣能使LNG動力發(fā)動機減排能力更上一層樓。

據(jù)研究表明，LNG動力發(fā)動機燃料摻氫能夠明顯改善一氧化碳排放，由于氫（H2 ）不含C原子，使用摻氫燃料將有效降低溫室氣體的排放；氮氧化物的排放變化不明顯；由于H2良好的著火性，摻氫天然氣燃燒速率較快，將有效提高LNG動力發(fā)動機的動力性；通過燃料摻氫將使船用LNG動力發(fā)動機的優(yōu)勢更加顯著。

3／ 燃燒（民用燃氣具及工業(yè)鍋爐）

天然氣摻氫燃料通過管網(wǎng)至家用灶具燃燒使用也被認為是改善城鎮(zhèn)燃氣質量與煙氣排放的有效途徑之一。研究結果表明，在低于20％體積分數(shù)的摻氫比例下，摻氫天然氣在家用燃氣具中燃燒的點火率、火焰穩(wěn)定性與煙氣排放性能全部合格而未發(fā)現(xiàn)安全性問題，煙氣排放指標滿足標準要求，并且隨著氫氣的體積分數(shù)增加，煙氣中CO與NOX排放量有所降低。

針對天然氣摻氫燃燒技術在燃氣鍋爐的最佳摻混比的研究表明，隨摻氫比增加，燃燒溫度上升、燃燒反應速率加快，炭煙和CO的濃度與排放總量均降低，NOX的濃度上升，但排放總量先減小后增大。

4／ 發(fā)電

在氫能源工業(yè)應用領域內，燃氫燃氣輪機是達成“全球使用可再生能源在2050年實現(xiàn)無碳－氫能社會”目標的關鍵因素之一。據(jù)研究表明，當該燃燒器在10％到20％的氫含量范圍內，可實現(xiàn)安全和穩(wěn)定燃燒，并滿足排放的要求。

此外，土耳其學者們以20％摻氫天然氣系統(tǒng)對實際房屋光伏系統(tǒng)的影響做了一項研究，表明摻氫天然氣使光伏系統(tǒng)的功率提高14．28％，光伏系統(tǒng)容量的使用量下降。房屋的碳足跡減少了67．5％。

02  天然氣摻氫的“潮流”已經(jīng)席卷多國

天然氣摻氫相關應用技術在2000年之后開始被深入研究。在碳中和的背景下，各國政府將天然氣摻氫項目作為氫能應用場景探索大力推廣。截止2019年年初，據(jù)IEA數(shù)據(jù)顯示，各國有37個示范項目正在研究天然氣網(wǎng)絡中摻氫。

英國：2020年1月英國示范項目HyDeploy正式投入運營。該項目是英國首個向燃氣中注入氫氣以供家庭和企業(yè)使用的試點項目，用于向基爾大學現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡注入高達20％的氫氣，為100戶家庭和30座教學樓供氣。該項目于2018年成功獲得HSE許可，在基爾大學開展20％比例的摻氫實驗，該項目的摻氫比例目前為歐洲最高。

意大利：2019年4月意大利公司Snam在南意大利啟動了一項天然氣摻氫項目，并向該地區(qū)的兩家工業(yè)公司輸送了含量為5％的摻氫混合氣。2019年底，Snam將該項目的摻氫量翻了1倍達到10％。這意味著Snam每年將向該管道注入70億立方米氫氣。

德國：2019年8月德國公用事業(yè)公司意昂（E．ON）的子公司Avacon計劃將其天然氣管道網(wǎng)的氫氣混合率提高到20％。此外德國天然氣網(wǎng)絡運營商協(xié)會（FNB Gas）曾指出，鑒于德國的天然氣基礎設施較為完善，氫氣適合在德發(fā)展，并將敦促政府逐年遞增天然氣管網(wǎng)納入氫氣的比例，如從2021年的1％升至2030年的10％。

西班牙：2022年5月22日，西班牙第二大天然氣分銷商Nortegas推出H2SAREA項目，這是西班牙第一個向現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡注入綠色氫氣的國家級示范項目。該公司將向其現(xiàn)有的8000余公里管道基礎設施注入氫氣，目的是為鞏固以氫作為西班牙住宅、工業(yè)和移動市場的經(jīng)濟脫碳杠桿的地位。

中國：目前國內首個電解制氫摻入天然氣項目——由遼寧省朝陽燕山湖發(fā)電有限公司承接的國家電投天燃氣管道摻氫示范項目已進入試驗階段，試驗成功后將建設每小時生產1000立方的氫氣生產線。目前已建成每小時生產10立方氫氣的生產線，采取水電解制氫方法，通過把氫氣經(jīng)壓縮、加儲、摻混等環(huán)節(jié)進入天然氣管道，試驗結束后將出臺一個天然氣摻氫的標準，彌補國內空白，把天然氣摻氫項目推到市場化去；2021年12月15日，內蒙古科技重大專項 “摻氫天然氣內燃機關鍵技術研發(fā)及示范應用” 項目正式啟動。該項目實施后，將為我國摻氫天然氣（HCHG）內燃機關鍵技術突破、核心零部件開發(fā)、樣機研制及工程應用提供技術支撐。

03  天然氣摻氫的未來發(fā)展

天然氣摻氫在為社會脫碳努力的同時，也面臨著一些安全方面和成本控制的挑戰(zhàn)。在運輸方面，摻氫使氣體的滲漏和燃燒爆炸風險增加，且隨著摻氫濃度的增加危險程度也逐步增加，泄漏后果的影響需要根據(jù)具體的泄漏環(huán)境進行分析。

但也有觀點認為，氫氣在空氣中的擴散系數(shù)遠大于天然氣，這樣便不易造成擴散后的聚集，從而降低了危險性。

在民用燃燒方面，當氫氣加入天然氣中導致燃氣組成改變時，燃燒工況會改變，這將會影響燃具的性能，甚至可能導致燃具無法正常工作，發(fā)生回火現(xiàn)象，帶來一定的安全問題。在工業(yè)應用中，由于工業(yè)燃燒器具有高度多樣性的特點，不同類型燃燒器的最大摻氫量各不相同，因此難以對天然氣摻氫帶來的影響得出普遍結論，也無法對摻氫濃度制定統(tǒng)一標準。

此外，多家行業(yè)機構進一步表示，目前氫氣的生產成本仍遠高于天然氣，如果要大規(guī)模推廣天然氣摻氫，政府和企業(yè)需要算好“經(jīng)濟賬”。根據(jù)國際可再生能源署（IRENA）的測算，混摻20％的氫氣僅能比單純使用天然氣降低約7％的溫室氣體排放，而摻氫后天然氣供能的成本卻遠高于單純使用天然氣。

IRENA同時指出，由于成本過高，天然氣摻氫還面臨著來自其他降碳方式的競爭，比如，使用碳捕捉與封存（CCS）裝置降碳，按照其市場發(fā)展速度，成本將很快降至200美元／噸以下，這將對天然氣摻氫降碳產生很大壓力。對此，IRENA建議，各國政府應盡快對天然氣摻氫管道提供相應補貼。

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       原文標題 : 環(huán)球零碳 | 天然氣摻氫“潮流”席卷全球，氫能應用場景被打開