氢能是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介。作为清洁原料和燃料,是实现交通运输、传统工业和建筑等领域大规模深度脱碳的终极能源。一方面,氢能是风电、光伏等不稳定可再生能源的转换中枢;另一方面,氢可广泛用于发电和发热等领域,使用过程具备“零碳排放”的优势。

可再生能源制氢是解决我国风、光等绿色电力消纳难题的有效途径。随着可再生能源制氢技术的迅猛发展,未来氢作为一种清洁可再生的能源载体,将为不断增长的可再生能源发电与难以实现电气化的行业之间搭建桥梁。同时,氢气的储存和运输成本过高仍然是行业的痛点。风电并网和消纳问题正成为制约风电开发的最主要因素,因此将氢气掺入天然气中将是解决大规模、长距离氢气输送的一个良好的过渡方法。

天然气掺氢技术是将氢气以一定体积比例掺入天然气中形成掺氢天然气(HCNG),通过现有天然气管道进行输送,并可直接替代天然气进行使用的一种能源技术。该技术的突破及应用,将有助于我国绿色能源发展战略的顺利实施,保障和促进我国清洁能源行业的健康发展。但当前氢气大规模储运技术存在技术壁垒,现有的技术都不适用于当前的形式,将氢气掺入天然气中使用天然气管道输送为氢气长距离、大规模运输提供了新的思路。目前世界许多国家已经逐步开展天然气管网掺氢项目。

国内外典型项目
荷兰项目
荷兰Ameland于2008-2011年开展了有关将风电制氢掺入当地天然气管网的研究,其中2010年年平均氢气掺入体积分数达到12%。
日本天然气掺氢项目
日本三菱日立动力系统有限公司(MIPS)将体积分数为30%的掺氢天然气通入大型烧燃气轮机中进行测试。结果表明,MPS专用燃烧器燃烧掺氢天然气可以实现烧燃气轮机稳定运行,与单纯燃烧天然气相比,CO2的排放量可以减少10%,发电效率大于63%,且除了燃烧器外,其他部件可以不用改动,减少了改造的成本。
英国项目
2020年1月,英国示范项目HyDeploy正式投入运营。该项目是英国首个向燃气中注入氢气以供家庭和企业使用的试点项目,向现有的天然气管网中注入体积分数高达20%的氢气,同时向100户家庭和30栋教学楼提供掺氢天然气。
德国项目
2019年8月,德国意昂(E.ON)的子公司Ava-con计划将其天然气管网的氢气混合率提高到20%。Avacon将在斯科普斯多夫市安装400套供暖系统并和其他用户设备进行“酸性试验”。
国内项目
目前,中国能源企业也在进行天然气管网掺氢的尝试和部署,力图突破天然气掺氢技术瓶颈,积累天然气掺氢与管道适应性的相关数据,撰写天然气管道掺氢的规范和标准,促进能源产业体系升级,助力中国在世界第三轮能源更替过程中掌握主动赢得先机。
朝阳可再生能源掺氢示范项目是国内首次尝试将电解水制得的氢气掺入天然气中。该项目设计了天然气掺氢在线混合系统,通过试验验证天然气管道与掺氢天然气的适应性,掺氢天然气多元化应用等技术的稳定性和可靠性,突破天然气掺氢技术瓶颈,填补国内天然气管道掺氢示范项目的空白。
氢气对天然气管道的影响
氢气掺入天然气管道后会对管道造成一定的危害,主要包括氢脆、氢鼓泡、氢开裂等。其中,氢脆的危害最大,氢脆是在低温下形成的。钢制管道的氢脆是由于管道内壁受到氢气的侵蚀,造成材料塑性和强度降低,并因此而导致的脆断或延迟性的脆性破坏。应根据不同的氢脆机理,制定相应的防护方法。
天然气管网包括长输管道和配送管道,长输管道输送压力较高,一般选择高钢级钢管。有研究表明,钢级越高越容易发生氢脆。
CGA-5.6-2005《HydrogenPipelineSystem》研究表明,当天然气掺氢体积比≤10%时,可使用不高于X52钢级的管道直接运输,钢级高于X52的天然气管道需要进行氢脆试验。
中国海洋石油新能源研究院进行了天然气掺氢与管道适应性模拟试验,开展了氢气对长输管网的腐蚀性研究。结果表明,在H2体积分数为16.7%时,输气压力为12MPa的工况下,使用X70钢不会产生氢腐蚀,钢机械性能也不会发生显著下降。
我国天然气管道分析
管道分布和压力
我国天然气主产地集中于中西部及沿海地区,而消费地集中于东部及中部人口密集和经济发达地区。此外,我国进口管道天然气主要来自于中亚、缅甸、俄罗斯等地,入境地主要位于新疆、云南、内蒙古、黑龙江等地。因此我国非常重视天然气管网的建设,目前已初步形成了“西气东输、海气登陆、就近供应”的供气格局。到2015年,全国天然气主干管道里程约为10万km,城市天然气管道共43.46万km。
根据《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》,我国将按照西气东输、北气南下、海气登陆的供气格局,继续加快天然气管道及储气设施建设,形成进口通道、主要生产区和消费区相连接的全国天然气主干管网。
根据我国天然气的输气压力,可将天然气管道分为高压管道、中压管道及低压管道。高压管道一般为全国战略性管道,如西气东输管道、中亚天然气管道等,其压力一般为10~12MPa;中压管道一般为区内干线、联络线和干线配套支线管道等,设计压力为4~12MPa;低压管道一般为城市燃气管道,其压力低于4MPa。
我国管道掺氢可行性分析
我国天然气干线管道的输气压力为4~12MPa,材质一般为金属材料X60~X80和R245~R365等。在4MPa以上的工作压力下,氢气有可能渗入到管道中产生氢脆的影响,但由于掺氢体积比较低(≤10%),氢气的分压也低(<1MPa),天然气掺氢对管道的实际影响有待进一步的验证。从欧美国家的经验来看,在较低的掺氢比和较低的氢气分压下,管道的氢脆基本可以忽略,利用天然气管道输送掺氢天然气的安全性可以得到保证。为了保证安全,可以进行管道氢脆的验证实验。
我国天然气主干管道的末端一般为城市天然气门站,门站后的天然气管网即为城市天然气管网。城市管网的天然气输气压力一般低于4MPa,其材质一般采用低强度钢R245~R365和非金属材质如聚乙烯等。若按掺氢比例10%计算,管道中的氢气分压低于0.4MPa,在此压力下基本不会产生氢脆等问题。
综上所述,利用现有天然气管道输送较低掺氢体积比的掺氢天然气,基本不会产生氢脆等问题,可以保证管道的安全运行。为了保证安全,可以对干线管道的氢脆进行验证实验,以更好地开展下一步工作。
天然气掺氢发展分析
在交通领域,使用掺氢天然气作为CNG汽车动力燃气,有着较好的燃烧特性和较低的排放指标。目前,国内清华大学等单位开展了掺氢天然气在CNG汽车上的应用研究和示范,取得了较好的研究成果。未来交通领域将会是掺氢天然气应用的一个可行方向。
掺氢天然气可直接用于居民燃气。近年来,我国空气污染问题越来越严重,尤其是北方冬季的雾霾,更是严重影响人们的健康。空气污染物的来源主要为煤、石油等化石能源的燃烧导致。而将氢气掺入到城市天然气管网用于冬季供暖和居民日常生活,还能进一步降低硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)等有害物质的排放,更有利于空气污染的治理。
结语和建议
据统计,我国三北和西南地区的年弃风、弃光、弃水电量超千亿kWh。若能有一半弃电用于制氢,则年制氢量将超100亿m3,同时,这些氢气可掺入到天然气干线管道形成掺氢天然气并输送至东部地区利用。此方式可以在极大程度上解决了我国的弃电问题,同时又在一定程度补充了我国天然气的缺口。另外,还有利于缓解我国东部地区的大气污染问题。总体来看,天然气掺氢项目的推广应用可以产生良好的经济和社会效益。我国对天然气管道掺氢的研究较少,且缺少相关标准规范、评估方法和实际试验数据。为促进我国在掺氢这一领域的发展,建议如下:

在保障管道设备设施安全的基础上,在特定城市的天然气管道网络中开展掺氢天然气和管道适应性研究,积累相关实验数据,形成天然气掺氢的相关标准规范,突破技术壁垒;针对不同材质和不同年限的天然气管道,建立不同的天然气掺氢可行性的评估标准和评估方法。


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