氫能是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介。作為清潔原料和燃料，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸、傳統(tǒng)工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的終極能源。一方面，氫能是風(fēng)電、光伏等不穩(wěn)定可再生能源的轉(zhuǎn)換中樞;另一方面，氫可廣泛用于發(fā)電和發(fā)熱等領(lǐng)域，使用過程具備“零碳排放”的優(yōu)勢。
可再生能源制氫是解決我國風(fēng)、光等綠色電力消納難題的有效途徑。隨著可再生能源制氫技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來氫作為一種清潔可再生的能源載體，將為不斷增長的可再生能源發(fā)電與難以實(shí)現(xiàn)電氣化的行業(yè)之間搭建橋梁。同時(shí)，氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本過高仍然是行業(yè)的痛點(diǎn)。風(fēng)電并網(wǎng)和消納問題正成為制約風(fēng)電開發(fā)的最主要因素，因此將氫氣摻入天然氣中將是解決大規(guī)模、長距離氫氣輸送的一個(gè)良好的過渡方法。
天然氣摻氫技術(shù)是將氫氣以一定體積比例摻入天然氣中形成摻氫天然氣(HCNG)，通過現(xiàn)有天然氣管道進(jìn)行輸送，并可直接替代天然氣進(jìn)行使用的一種能源技術(shù)。該技術(shù)的突破及應(yīng)用，將有助于我國綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略的順利實(shí)施，保障和促進(jìn)我國清潔能源行業(yè)的健康發(fā)展。但當(dāng)前氫氣大規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)存在技術(shù)壁壘，現(xiàn)有的技術(shù)都不適用于當(dāng)前的形式，將氫氣摻入天然氣中使用天然氣管道輸送為氫氣長距離、大規(guī)模運(yùn)輸提供了新的思路。目前世界許多國家已經(jīng)逐步開展天然氣管網(wǎng)摻氫項(xiàng)目。
國內(nèi)外典型項(xiàng)目
荷蘭項(xiàng)目
荷蘭Ameland于2008－2011年開展了有關(guān)將風(fēng)電制氫摻入當(dāng)?shù)靥烊粴夤芫W(wǎng)的研究，其中2010年年平均氫氣摻入體積分?jǐn)?shù)達(dá)到12%。
日本天然氣摻氫項(xiàng)目
日本三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)有限公司(MIPS)將體積分?jǐn)?shù)為30%的摻氫天然氣通入大型燒燃?xì)廨啓C(jī)中進(jìn)行測試。結(jié)果表明，MPS專用燃燒器燃燒摻氫天然氣可以實(shí)現(xiàn)燒燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，與單純?nèi)紵烊粴庀啾龋珻O2的排放量可以減少10%，發(fā)電效率大于63%，且除了燃燒器外，其他部件可以不用改動(dòng)，減少了改造的成本。
英國項(xiàng)目
2020年1月，英國示范項(xiàng)目HyDeploy正式投入運(yùn)營。該項(xiàng)目是英國首個(gè)向燃?xì)庵凶⑷霘錃庖怨┘彝ズ推髽I(yè)使用的試點(diǎn)項(xiàng)目，向現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)中注入體積分?jǐn)?shù)高達(dá)20%的氫氣，同時(shí)向100戶家庭和30棟教學(xué)樓提供摻氫天然氣。
德國項(xiàng)目
2019年8月，德國意昂(E.ON)的子公司Ava-con計(jì)劃將其天然氣管網(wǎng)的氫氣混合率提高到20%。Avacon將在斯科普斯多夫市安裝400套供暖系統(tǒng)并和其他用戶設(shè)備進(jìn)行“酸性試驗(yàn)”。
國內(nèi)項(xiàng)目
目前，中國能源企業(yè)也在進(jìn)行天然氣管網(wǎng)摻氫的嘗試和部署，力圖突破天然氣摻氫技術(shù)瓶頸，積累天然氣摻氫與管道適應(yīng)性的相關(guān)數(shù)據(jù)，撰寫天然氣管道摻氫的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)體系升級(jí)，助力中國在世界第三輪能源更替過程中掌握主動(dòng)贏得先機(jī)。
朝陽可再生能源摻氫示范項(xiàng)目是國內(nèi)首次嘗試將電解水制得的氫氣摻入天然氣中。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了天然氣摻氫在線混合系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證天然氣管道與摻氫天然氣的適應(yīng)性，摻氫天然氣多元化應(yīng)用等技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，突破天然氣摻氫技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)國內(nèi)天然氣管道摻氫示范項(xiàng)目的空白。
氫氣對(duì)天然氣管道的影響
氫氣摻入天然氣管道后會(huì)對(duì)管道造成一定的危害，主要包括氫脆、氫鼓泡、氫開裂等。其中，氫脆的危害最大，氫脆是在低溫下形成的。鋼制管道的氫脆是由于管道內(nèi)壁受到氫氣的侵蝕，造成材料塑性和強(qiáng)度降低，并因此而導(dǎo)致的脆斷或延遲性的脆性破壞。應(yīng)根據(jù)不同的氫脆機(jī)理，制定相應(yīng)的防護(hù)方法。
天然氣管網(wǎng)包括長輸管道和配送管道，長輸管道輸送壓力較高，一般選擇高鋼級(jí)鋼管。有研究表明，鋼級(jí)越高越容易發(fā)生氫脆。
CGA－5.6－2005《HydrogenPipelineSystem》研究表明，當(dāng)天然氣摻氫體積比≤10%時(shí)，可使用不高于X52鋼級(jí)的管道直接運(yùn)輸，鋼級(jí)高于X52的天然氣管道需要進(jìn)行氫脆試驗(yàn)。
中國海洋石油新能源研究院進(jìn)行了天然氣摻氫與管道適應(yīng)性模擬試驗(yàn)，開展了氫氣對(duì)長輸管網(wǎng)的腐蝕性研究。結(jié)果表明，在H2體積分?jǐn)?shù)為16.7%時(shí)，輸氣壓力為12MPa的工況下，使用X70鋼不會(huì)產(chǎn)生氫腐蝕，鋼機(jī)械性能也不會(huì)發(fā)生顯著下降。
我國天然氣管道分析
管道分布和壓力
我國天然氣主產(chǎn)地集中于中西部及沿海地區(qū)，而消費(fèi)地集中于東部及中部人口密集和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。此外，我國進(jìn)口管道天然氣主要來自于中亞、緬甸、俄羅斯等地，入境地主要位于新疆、云南、內(nèi)蒙古、黑龍江等地。因此我國非常重視天然氣管網(wǎng)的建設(shè)，目前已初步形成了“西氣東輸、海氣登陸、就近供應(yīng)”的供氣格局。到2015年，全國天然氣主干管道里程約為10萬km，城市天然氣管道共43.46萬km。
根據(jù)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014－2020年)》，我國將按照西氣東輸、北氣南下、海氣登陸的供氣格局，繼續(xù)加快天然氣管道及儲(chǔ)氣設(shè)施建設(shè)，形成進(jìn)口通道、主要生產(chǎn)區(qū)和消費(fèi)區(qū)相連接的全國天然氣主干管網(wǎng)。
根據(jù)我國天然氣的輸氣壓力，可將天然氣管道分為高壓管道、中壓管道及低壓管道。高壓管道一般為全國戰(zhàn)略性管道，如西氣東輸管道、中亞天然氣管道等，其壓力一般為10～12MPa;中壓管道一般為區(qū)內(nèi)干線、聯(lián)絡(luò)線和干線配套支線管道等，設(shè)計(jì)壓力為4～12MPa;低壓管道一般為城市燃?xì)夤艿溃鋲毫Φ陀?MPa。
我國管道摻氫可行性分析
我國天然氣干線管道的輸氣壓力為4～12MPa，材質(zhì)一般為金屬材料X60～X80和Ｒ245～Ｒ365等。在4MPa以上的工作壓力下，氫氣有可能滲入到管道中產(chǎn)生氫脆的影響，但由于摻氫體積比較低(≤10%)，氫氣的分壓也低(＜1MPa)，天然氣摻氫對(duì)管道的實(shí)際影響有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。從歐美國家的經(jīng)驗(yàn)來看，在較低的摻氫比和較低的氫氣分壓下，管道的氫脆基本可以忽略，利用天然氣管道輸送摻氫天然氣的安全性可以得到保證。為了保證安全，可以進(jìn)行管道氫脆的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
我國天然氣主干管道的末端一般為城市天然氣門站，門站后的天然氣管網(wǎng)即為城市天然氣管網(wǎng)。城市管網(wǎng)的天然氣輸氣壓力一般低于4MPa，其材質(zhì)一般采用低強(qiáng)度鋼Ｒ245～Ｒ365和非金屬材質(zhì)如聚乙烯等。若按摻氫比例10%計(jì)算，管道中的氫氣分壓低于0.4MPa，在此壓力下基本不會(huì)產(chǎn)生氫脆等問題。
綜上所述，利用現(xiàn)有天然氣管道輸送較低摻氫體積比的摻氫天然氣，基本不會(huì)產(chǎn)生氫脆等問題，可以保證管道的安全運(yùn)行。為了保證安全，可以對(duì)干線管道的氫脆進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以更好地開展下一步工作。
天然氣摻氫發(fā)展分析
在交通領(lǐng)域，使用摻氫天然氣作為CNG汽車動(dòng)力燃?xì)猓兄^好的燃燒特性和較低的排放指標(biāo)。目前，國內(nèi)清華大學(xué)等單位開展了摻氫天然氣在CNG汽車上的應(yīng)用研究和示范，取得了較好的研究成果。未來交通領(lǐng)域?qū)?huì)是摻氫天然氣應(yīng)用的一個(gè)可行方向。
摻氫天然氣可直接用于居民燃?xì)狻＝陙恚覈諝馕廴締栴}越來越嚴(yán)重，尤其是北方冬季的霧霾，更是嚴(yán)重影響人們的健康。空氣污染物的來源主要為煤、石油等化石能源的燃燒導(dǎo)致。而將氫氣摻入到城市天然氣管網(wǎng)用于冬季供暖和居民日常生活，還能進(jìn)一步降低硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)等有害物質(zhì)的排放，更有利于空氣污染的治理。
結(jié)語和建議
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國三北和西南地區(qū)的年棄風(fēng)、棄光、棄水電量超千億kWh。若能有一半棄電用于制氫，則年制氫量將超100億m3，同時(shí)，這些氫氣可摻入到天然氣干線管道形成摻氫天然氣并輸送至東部地區(qū)利用。此方式可以在極大程度上解決了我國的棄電問題，同時(shí)又在一定程度補(bǔ)充了我國天然氣的缺口。另外，還有利于緩解我國東部地區(qū)的大氣污染問題。總體來看，天然氣摻氫項(xiàng)目的推廣應(yīng)用可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。我國對(duì)天然氣管道摻氫的研究較少，且缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、評(píng)估方法和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為促進(jìn)我國在摻氫這一領(lǐng)域的發(fā)展，建議如下:
在保障管道設(shè)備設(shè)施安全的基礎(chǔ)上，在特定城市的天然氣管道網(wǎng)絡(luò)中開展摻氫天然氣和管道適應(yīng)性研究，積累相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，形成天然氣摻氫的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，突破技術(shù)壁壘;針對(duì)不同材質(zhì)和不同年限的天然氣管道，建立不同的天然氣摻氫可行性的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法。
