天然氣摻氫拓寬深度脫碳路

天然氣摻氫混合，不但能夠拓展氫能應(yīng)用場景，還可改善終端設(shè)備的燃燒性能，減少二氧化碳、氮氧化物等排放，綠色低碳特性讓其越來越受熱捧。

“推進(jìn)零煤城市建設(shè)。2030年前開展天然氣摻混氫氣等低碳技術(shù)在燃?xì)獍l(fā)電和供熱中的試點。”日前印發(fā)的《崇明世界級生態(tài)島碳中和示范區(qū)建設(shè)實施方案（2022年版）》提出上述重點任務(wù)，上海崇明成為首個明確天然氣摻氫時間點的地區(qū)，引發(fā)業(yè)內(nèi)關(guān)注。

天然氣摻氫混合，不但能夠拓展氫能應(yīng)用場景，還可改善終端設(shè)備的燃燒性能，減少二氧化碳、氮氧化物等排放，綠色低碳特性讓其越來越受熱捧。據(jù)中國工程院院士彭蘇萍團(tuán)隊預(yù)測，若按摻氫比例10%-20%、“制儲輸用”全生命周期成本（30元/千克）計算，全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值將達(dá)800億-1800億元/年。面對廣闊的市場前景，如何搶抓發(fā)展機(jī)遇？

為減碳提供新思路

在眾多氫能相關(guān)技術(shù)中，天然氣摻氫的走紅不是偶然。

“二者融合發(fā)展是實現(xiàn)深度脫碳的重要選擇。”在近日舉行的第十八屆中國分布式能源國際論壇上，中國石油集團(tuán)發(fā)展計劃部副總經(jīng)濟(jì)師朱興珊表示，把氫摻入天然氣，相當(dāng)于增加了供應(yīng)量，在緩解后者供應(yīng)壓力的同時，帶動碳排放強(qiáng)度大大下降。當(dāng)前氫能儲運(yùn)仍是“卡脖子”環(huán)節(jié)，摻混有利于氫的低成本儲運(yùn)和規(guī)?；?。“天然氣和氫能在運(yùn)、輸、用等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，本就具有相似特點，可在發(fā)電、建筑工業(yè)等應(yīng)用場景中找到大量融合機(jī)會。”

北京市燃?xì)鉄崃こ淘O(shè)計院道石研究院總工程師王洪建進(jìn)一步給出印證：以摻氫比例10%-20%計算，等熱值碳減排量在3.5%-7.6%；充分利用已有燃?xì)夤芫W(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，大規(guī)模、長距離輸氫成本每百公里為0.3-0.8元/千克。“國際上從2000年開始相關(guān)研究，全球共有40多個示范項目，每年約2900噸氫氣摻入天然氣管網(wǎng)，摻氫比例最高達(dá)20%。在我國，隨著氫能中長期規(guī)劃明確提出，開展摻氫天然氣管道等試點示范，研究工作和論證示范加速展開。”

除了區(qū)域?qū)用妫糠制髽I(yè)也先行先試。記者從國家電投獲悉，該集團(tuán)所屬荊門綠動能源有限公司在運(yùn)燃機(jī)，于2022年9月底成功實現(xiàn)30%摻氫燃燒改造和運(yùn)行。這是我國首次在重型燃機(jī)商業(yè)機(jī)組上實施高比例摻氫燃燒改造試驗和科研攻關(guān)，也是全球范圍內(nèi)首個在天然氣聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)供商業(yè)機(jī)組中進(jìn)行高比例摻氫燃燒的示范項目。僅荊門一臺54兆瓦燃機(jī)，在摻氫30%的情況下，每年即可減少二氧化碳排放1.8萬噸以上。

產(chǎn)業(yè)尚處起步階段

價值備受公認(rèn)，但想真正將天然氣摻氫用起來，目前還有較長的路要走。廈門大學(xué)中國能源政策研究院教授張博坦言，部分省份雖已發(fā)布地方規(guī)劃，將其作為氫能儲運(yùn)及終端應(yīng)用的突破口，但國家層面尚未出臺發(fā)展規(guī)劃，產(chǎn)業(yè)整體尚處于起步階段。

“這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既要考慮技術(shù)可行性，還受安全性、經(jīng)濟(jì)性制約。在大規(guī)模推廣應(yīng)用之前，一些關(guān)鍵問題必須解決。”張博表示，以安全為例，相較天然氣主要成分甲烷，氫的爆炸極限范圍更大，更易發(fā)生泄漏自燃，摻混后爆炸等風(fēng)險相應(yīng)擴(kuò)大，對天然氣長輸管道、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)及終端用能設(shè)備，均提出了更高要求。研究摻氫天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律及安全風(fēng)險管控，是需要重點關(guān)注的問題。

朱興珊也稱，現(xiàn)階段成熟項目不多，加上缺乏規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)體系，帶來安全隱患不明晰等問題。“比如，在役管道對不同摻氫比例的適應(yīng)性、如何提高儲運(yùn)和終端設(shè)備的摻氫比例，研究得還不夠、不深。沒有經(jīng)過大量研究和實驗，管道運(yùn)營商往往不敢做。根據(jù)不同摻氫比例，終端用能設(shè)備在設(shè)計、制造、運(yùn)行、維護(hù)、檢測等方面，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也是缺乏的。”

此外，還有經(jīng)濟(jì)性問題。天然氣管道摻氫輸送，可在短期內(nèi)以相對少的投入，實現(xiàn)氫能長距離、大規(guī)模運(yùn)輸。然而，同樣體積氫氣的熱值只有天然氣的1/3，若要保證天然氣摻氫后在終端提供相同熱值，氫價理論上也應(yīng)是氣價的1/3。“按照現(xiàn)行天然氣門站價格計算，得出的氫氣價格，遠(yuǎn)低于現(xiàn)階段制氫成本。換句話說，從全產(chǎn)業(yè)鏈視角來看，天然氣摻氫項目的商業(yè)化應(yīng)用目前并不具備經(jīng)濟(jì)可行性。”張博稱。

亟待加強(qiáng)頂層設(shè)計

在多位業(yè)內(nèi)人士看來，加強(qiáng)頂層設(shè)計和戰(zhàn)略研究是當(dāng)務(wù)之急。“天然氣摻氫發(fā)展，關(guān)系到整個氫能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、天然氣工業(yè)轉(zhuǎn)型，應(yīng)深入剖析其技術(shù)路線與重點任務(wù)，覆蓋基礎(chǔ)研究、裝備研發(fā)、技術(shù)實證、應(yīng)用研究、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、性能測試、商業(yè)模式創(chuàng)新等方面。同時，完善天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)的管理模式，建立相關(guān)激勵機(jī)制。”張博表示。

具體如何推進(jìn)？張博舉例，需高標(biāo)準(zhǔn)開展天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)的安全與應(yīng)急管理體系建設(shè)，探索建立基于信息技術(shù)、數(shù)字技術(shù)的產(chǎn)業(yè)安全監(jiān)管平臺。加強(qiáng)管理部門之間的溝通協(xié)作，可延續(xù)天然氣行業(yè)管理模式，明確天然氣摻氫各環(huán)節(jié)的監(jiān)管部門及責(zé)任義務(wù)。在當(dāng)前天然氣管網(wǎng)監(jiān)管框架的基礎(chǔ)上，完善摻氫工程建設(shè)的監(jiān)管審批流程，梳理產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工作重點，保持摻氫天然氣與氫能、天然氣、城鎮(zhèn)燃?xì)鈽?biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

王洪建認(rèn)為，從未來空間看，以天然氣為燃料作為重點趨勢，可借助燃?xì)夤芫W(wǎng)實現(xiàn)氫的儲運(yùn)，進(jìn)而達(dá)到多元化燃料供應(yīng)，從氫到氫能和天然氣并行。“現(xiàn)階段通過評估，在終端和管道摻氫10%-20%的比例，技術(shù)完全可行，部分改造后甚至可提升到20%-30%。但是，更高的摻氫比例還需驗證分析，尚缺乏系統(tǒng)的評估方法和數(shù)據(jù)庫。包括管材性能劣化規(guī)律、完整性管理與風(fēng)險評價、泄漏監(jiān)測等環(huán)節(jié)，均需要進(jìn)一步研究完善。”

“先充分利用已有基礎(chǔ)設(shè)施，再考慮新建摻氫應(yīng)用，新建大型燃機(jī)應(yīng)該優(yōu)先選用摻氫。”朱興珊建議，由國家層面組織開展天然氣摻氫重大示范工程，選取不同應(yīng)用場景，包括管道摻氫、摻氫燃機(jī)等，因地制宜開展示范，積累經(jīng)驗、探索路徑。