技術怎麼講（技術到底怎麼樣）

2023-05-26 14:43:31

6月16日，有這樣一個消息：世界上最大的氫燃料混合項目竣工。三菱電力公司、喬治亞電力公司以及電力研究所(EPRI)已經在位於士麥那喬治亞電力公司麥克唐納-阿特金森(McDonough-Atkinson)工廠的M501G天然氣渦輪機上驗證氫氣和天然氣的燃料混合的可行性，並在部分負載及滿載狀況下進行相關驗證。

該示範項目是北美首個在先進級別的燃氣輪機上驗證氫燃料佔20%的混合項目，在迄今為止同類試驗中也是規模最大。

這座電廠是在2012年實現完全轉型，利用天然氣供電，並擴大為170萬家庭供電。這次氫燃料調合項目，是有三菱電力提供包括技術和設備，氫氣則由Certarus公司提供。

那麼問題來了，氫可以直接作為燃料嗎？和天然氣摻和的氫氣有比例上限嗎？

可以完全用氫做燃料用於發電嗎？

雖然現在氫能源的應用場景多是將其作為二次能源，但作為一次能源直接燃燒，是完全可行的，它本身就是一種性能極其優良的燃料。沒有什麼根本障礙使氫不能在燃氣輪機、加熱器、鍋爐或發電等其他能源應用中燃燒、氫與天然氣的混合燃燒，或作為純氫燃燒。

之所以和天然氣摻和燃燒，好處是，不僅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，對現階段氫氣運輸、氫能的廣泛及規模運用開拓更多的可能性。氫的陸地儲運成本是出了名的高，天然氣管網具有區域廣、輸送量高、傳輸距離長及費用低等優勢，利用現役天然氣輸配管網與基礎設施摻氫輸送，可實現低成本、規模化的氫能供應。

天然氣摻氫輸送系統組成示意圖 來源：環球零碳

最重要的是，能夠大大降低二氧化碳的排放。三菱電機在北美的項目表明，與天然氣相比，20%的混合氣可以減少約7%的碳排放。

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劃。

英國：2020年1月英國示範項目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使用的試點項目，用於向基爾大學現有的天然氣網絡注入高達20%的氫氣，為100戶家庭和30座教學樓供氣。該項目於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。

義大利：2019年4月義大利公司Snam在南義大利啟動了一項天然氣摻氫項目，並向該地區的兩家工業公司輸送了含量為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月德國公用事業公司意昂(E.ON)的子公司Avacon計劃將其天然氣管道網的氫氣混合率提高到20%。此外德國天然氣網絡運營商協會(FNB Gas)曾指出，鑑於德國的天然氣基礎設施較為完善，氫氣適合在德發展，並將敦促政府逐年遞增天然氣管網納入氫氣的比例，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有天然氣網絡注入綠色氫氣的國家級示範項目。該公司將向其現有的8000餘公裡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、工業和移動市場的經濟脫碳槓桿的地位。

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電有限公司承接的國家電投天燃氣管道摻氫示範項目已進入試驗階段，試驗成功後將建設每小時生產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，採取水電解制氫方法，通過把氫氣經壓縮、加儲、摻混等環節進入天然氣管道，試驗結束後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及示範應用」 項目正式啟動。該項目實施後，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、樣機研製及工程應用提供技術支撐。

日本：三菱電機在北美的項目之所以能取得成功，還在於三菱電力的氫燃燒經驗，以及正在進行的氫燃燒開發，該公司在日本兵庫縣高崎工廠的氫DLN燃燒達到100%。

困難和挑戰

不過「天然氣摻氫」也面臨著一些挑戰。

首先是輸送環節的挑戰。由於鋼材在氫氣環境下會產生氫損傷，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象）是發展摻氫天然氣管道輸送技術的主要安全問題。

其次是發電環節的挑戰。雖然氫燃燒提供了一個很有前途的儲能和轉換途徑，但對於當今的天然氣能源轉換裝置來說，這並不是一種「隨時可用」燃料。燃料處理系統、閥門和管道以及燃燒室硬體需要進行更改，以解決汙染物排放、可操作性和成本等問題。

使用天然氣發電系統燒氫來發電，還有一個可操作性問題，即設備在不停機、不損壞或性能不合格的情況下可靠運行的能力。氫從幾個方面影響可操作性，其中回火是將氫氣用於天然氣的系統中最嚴重問題，氫的火焰速度比天然氣高一個數量級，因為火焰會向上遊傳播並嚴重損壞硬體。

最後，它還有一個汙染物排放問題。你沒看錯，清潔能源氫居然也有汙染物。它當然不會排放任何微粒或一氧化碳，因為氫燃氣不含碳原子。然而，氫燃燒會產生氮氧化物，也就是NOx。本質上，當空氣加熱到高溫時，空氣中的氮和氧開始相互反應時，就會產生NOx。因此，與使用氫氣有關的挑戰是如何實現低NOx燃燒系統。

目前，國際上尚未出臺摻氫天然氣管道輸送系統專用的標準規範，各國天然氣氣體質量規範中可允許的最大摻氫比例也各不相同

部分國家和地區對天然氣中摻氫比例上限的要求 來源：環球零碳

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範《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，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範和研發工作的國家，對天然氣中可摻氫比例依然相當謹慎，相關標準中規定的摻氫比例上限都未超過10%。

前景依舊誘人

由於成本過高，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。

但直接用作燃料，像天然氣一樣燃燒，依舊具有誘惑力，因為氫能發電廠將在能源轉型中扮演重要角色。

如果有可再生能源，將其轉化為氫氣並重新通電，能源效率不到40%。但是，當我們將氫氣用作長期儲存和對各種可再生能源的補償時，這才有意義。如果需要季節性儲能——冬天夏天使用太陽能，秋天到夏天使用風能——氫氣就可以完成這一過程。

大規模儲氫也將有助於減少大風/晴天期間風力和太陽能發電的減少。綠氫可以增加我們可再生能源的吸納，因為可以利用原本要被放棄的可再生能源制氫。因此，通過電解（利用電力將水分子分解成氫氣和氧氣），並將多餘的能量儲存為氫氣，可以真正讓電力系統大量擴展可再生能源。一旦能利用過剩的可再生能源電力，那麼就可以將可再生能源實際利用率翻一番甚至更高。

挪威石油巨頭Equinor和蘇格蘭公用事業公司SSE最近宣布了一項計劃，計劃在2030年前在英格蘭東北部的凱德比建造一座全新的1.8吉瓦氫氣發電站。該項目將可以由低碳的藍色氫氣提供動力，也可用於支持各種可再生能源，特別是是海上風電。

然而，在目前的條件下，使用清潔的氫氣發電在經濟上還是虧損的。目前綠色氫氣的成本估計在2.50-6美元/千克之間，藍色氫氣的成本在1.50-4美元/千克之間。如果清潔的氫氣在每千克2.35美元，以使其具有與化石氣競爭的成本，需要對應二氧化碳價格為每噸200-250美元。我們距離這一碳價水平仍然很遙遠，目前歐盟的碳價格約為每噸50歐元。

雖然，清潔氫氣在2035年之前不會用於大規模電力生產，但會在運輸和重工業等其他部門發揮效益。預計，在2035-2040年之間各國必須對電力部門進行深度脫碳，屆時以氫能為基礎的電氣化將大規模發生。(流程工業、環球零碳、國際能源小數據)

來源：國際能源網/氫能匯