天然气掺氢:大规模开发绿氢的前奏

来源:中国电力新闻网

在管道输氢领域,国内石油企业间的竞赛已经开始。

日前,中国石油对外发布消息称,利用现有天然气管道掺氢的比例已逐步达到24%。此外,中国石化称,拟建起于内蒙古乌兰察布市、终点为北京燕山石化的“西氢东送”输氢管道示范工程。

面对能源低碳转型的趋势,天然气掺氢是氢能发展的重要方向,也是助力我国实现“双碳”目标的有效途径之一。


“氢进万家”

利用天然气管网将掺氢天然气输送到下游用户之后,终端利用的主要方式有两种:一是直接利用掺氢天然气,用于居民和商业用户(燃气灶、壁挂炉等)、工业用户(内燃机、燃气轮机、工业锅炉等),是实现“氢进万家”的重要途径;二是间接利用掺氢天然气,可在适合的条件下(掺氢比例≥15%),将掺氢天然气中的氢气进行提纯,应用于交通用能、分布式发电等领域,与纯氢利用路线相融合,实现掺氢/纯氢利用协同发展。

天然气掺氢具备大规模推广应用的技术可行性和经济可行性。全球多国积极开展天然气掺氢技术的研究与示范,目前正处于商业化导入阶段。截至2020年,全球共有40多个示范工程。应用场景主要是将掺氢天然气输送到城市燃气管网或区域管网,作为工商业和居民用户终端设备的燃料,其次是供应压缩氢气天然气混合燃气(HCNG)汽车和供暖管网使用。目前各国应用的天然气掺氢比例一般为5%~30%。以不显著改变管道和终端燃烧设备为前提,20%是多数国家天然气管网能接受的最高掺氢比。德国、英国、澳大利亚等国已将天然气掺氢列入能源发展战略规划,并把利用现有的天然气管网进行100%氢气的输送作为未来的发展目标。

我国天然气掺氢产业起步较晚,但是发展较快,目前正处于工程示范验证阶段。《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》提出要统筹推进氢能基础设施建设,开展掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范,逐步构建高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系。《“十四五”能源领域科技创新规划》提出开展天然气管道掺氢示范应用。2021年,山东省潍坊市明确了掺氢天然气的发展定位和示范项目建设补贴(按掺混站设备投资额的30%进行补贴,单个掺混站补贴≤200万元),以推进掺氢应用的规模化及生产体系建设。

目前,国内处于运行阶段的示范性项目有2个,掺氢比为10%;处于试验阶段的示范项目有1个;处于施工阶段的示范性项目有3个;处于设计、可研、规划阶段的示范性项目有8个,掺氢示范项目设计规模可达到20.5万吨氢气/年。事实上,氢气对于城市燃气企业来说并不陌生,在人工煤气中含有20%~50%的氢气,特别是香港的城燃管网中氢气比例高达50%,且已安全运行近50年,在富氢燃气生产、运营方面积累了丰富的经验。总体而言,国内的天然气掺氢项目较少,基本处于示范验证阶段,缺乏系统性的技术成果,管道掺氢比的安全范围仍不明晰,但人工煤气中含有高比例氢气能够长期安全运行,可为天然气掺氢的应用提供借鉴。

具有五方面益处

天然气掺氢技术既能实现氢能的大规模储存,又能高效低成本地输送氢气,实现“氢进万家”,是降低天然气利用过程碳排放强度以及保障燃气供应安全的有效途径。发展天然气掺氢技术的前景和意义主要体现在能源储存、能源输运、能源消费、能源安全、能源科技等五方面。

其一,能够大规模利用可再生能源制取的绿氢,实现大规模氢储能,有效解决大规模可再生能源消纳问题。由可再生能源制取的“绿氢”,被认为是氢能发展的未来方向和终极路线。以我国目前的天然气消费量计算,通过天然气掺氢比例为10%(体积比)时,具备300多万吨/年的氢气消纳能力,消纳1700多亿千瓦时绿电。预计2030年通过天然气管道掺氢可具备消纳绿氢150万吨的能力,可利用绿电834亿千瓦时。

其二,可实现氢能长距离、低成本、大规模输运,有助于突破运输瓶颈,推动氢能产业规模化发展。我国天然气管道基础网络已基本形成,现有的天然气基础设施及管网是一个巨大的输送系统。天然气管道掺氢输送终端提氢的有效经济距离大于200千米,输送成本为0.3~0.8元/(千克·百千米),大幅低于长管拖车和液氢罐车。

其三,有助于实现工业、建筑等领域的深度脱碳,实现“氢进万家”,成为各国碳减排的战略性选择。在掺氢比例为10%和20%的情况下,可实现天然气碳减排3.5%和7.6%(等热值计量)。我国已将天然气掺氢技术纳入《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》。利用天然气掺氢技术有助于实现我国终端利用的碳减排,预计到2030年,天然气掺氢技术的碳减排潜力可达到10百万~20百万吨/年。

其四,有助于缓解天然气供应压力。当前我国天然气对外依存度接近50%,到2040年前,我国对天然气的需求仍处于增长阶段。用掺氢天然气作为燃料可缓解天然气的供应压力,预计2030年通过掺氢可替代天然气约51亿立方米/年。

五,能够带动氢能全产业链的科技创新,提升国家能源领域高端装备制造技术水平,推动能源绿色低碳转型。预计到2030年,天然气管网掺氢比例最高可达30%,每年约150万吨绿氢掺入管网,全产业链年产值将达到500亿元。

需系统解决输送及利用难题

由于氢气与天然气存在密度、热值、扩散特性、燃烧特性等方面的物性差异,天然气管道掺氢会带来三方面的挑战:在管网方面存在材料相容性、管道完整性等风险;在终端燃烧器方面存在燃料互换性、安全性等影响;在顶层设计方面缺乏相关专项规划及标准体系。发展天然气管道掺氢输送及终端利用涉及政府、天然气中下游企业、氢能中上游企业、科研院所与设计院、关键设备制造企业等多个主体。为系统性解决天然气管道掺氢输送及终端利用相关技术和产业发展面临的挑战,提出以下六点建议:

制定氢气管道输送(掺氢/纯氢)专项规划,制定适合国情的天然气掺氢产业发展实施路线图,统筹推进天然气掺氢规模化应用。

建立健全符合我国国情的天然气掺氢产业安全监管、技术与运营管理标准体系,保障天然气掺氢产业健康安全有序发展。在现有天然气管网监管框架的基础上,完善天然气掺氢工程建设的监管审批流程。在加强核查燃气管网安全状况及保障气体品质满足应用范围的前提下,开放管网资源,为掺氢提供便利。

加大对天然气掺氢全产业链的补贴政策及金融支持。加快制定产业链各环节项目基准收益等投资论证的科学决策依据,坚持市场主导与政策驱动并行,逐步建立科学合理的产业补贴政策与退坡机制。

加强“政产学研用”机构合作,集中优势力量攻关,促进全产业链协同发展,建立有效的共享平台与合作机制。成立行业氢能专委会,引导行业培育健康可持续的天然气掺氢产业生态圈,促进多方参与,携手开辟天然气掺氢发展的新局面;动员油气企业和燃气企业加大投入,组建天然气掺氢产业创新联盟。

构建天然气掺氢适应性评估方法及数据库平台,积极推进天然气掺氢的应用示范,实现“氢进万家”。完善长输管网、城镇管网和点供用户等不同场景下的氢源、管网设备和终端用户的适应性评估,形成开展天然气掺氢示范工程建设的评估流程,持续收集基础研究和示范工程测试数据,促进形成行业共识,指导新建项目建设。

成立天然气掺氢国家级工程技术研究中心,加强天然气掺氢关键技术研究。建立天然气掺氢综合试验平台,深化基础与应用研究,开展关键技术攻关。培养复合型创新人才,鼓励高等学校加快氢能、天然气、综合能源等学科建设和人才培养,推动开展天然气掺氢领域国际科研合作和技术交流。