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天然气掺氢“潮流”席卷全球,氢能应用场景被打开

作者:
王智镝
来源:
环球零碳
2022/06/20 21:14
浏览量
【摘要】:
“天然气掺氢”扩大了氢气的运用场景。

氢气,被认为是清洁能源的未来之星,将在能源舞台上成为一种举足轻重的能源。

但氢气太轻,比我们呼吸的空气还轻11倍。这一特性导致氢气的储存和运输很困难,也限制了它的运用场景。

氢气一般可以以两种形式运输或储存:液体和气体。氢气作为液体保存时,在一个标准大气压下,需要降温到-252.76℃,这将消耗大量能源;将氢气作为气体储存时,通常需要高压容器。

这些苛刻的要求,无疑会限制氢气作为能源的广泛使用。加上目前基础设施、运输方式等因素的限制,导致氢气的运输和储存成本过高,成为氢气在现有能源供应体系中未得到广泛应用的重要原因。

为了解决这些困境,扩大氢气的运用场景,人们想出了“天然气掺氢”的方法,这为氢能的扩大使用范围奠定了很好的基础。

所谓天然气掺氢,是指将一定比例的氢气注入到天然气中与天然气混合形成的一种混合气体(HCNG),是氢能利用的重要方向之一。

天然气掺氢有一举多得的效益:一是可以改变天然气的燃烧特性,增加燃烧值;二是可以利用天然气管道等基础设施,对现阶段氢气运输、氢能的广泛及规模运用开拓更多的可能性;三是可以大大降低二氧化碳的排放。

比如根据印度德里一些城市的实验,在公共汽车中,用富氢压缩天然气作为燃料,在天然气中掺入18%左右的氢气,可以减少高达70%的一氧化碳排放,同时节省 5% 的燃料。

正因为这些显而易见的好处,天然气掺氢的“潮流”已经席卷多国。截至今年5月,英国、美国、比利时、德国等国家均已启动了天然气掺氢规划。

中国也有天然气掺氢的商用项目落地。

今年初,国家电投集团宣布,首个燃气轮机掺氢燃烧示范项目正式投运,整体方案可行性得到验证。在现役天然气机组中增加氢燃料来源,不仅能够有效节约天然气用量,保证冬季供暖安全稳定,同时具有积极减碳效应。

此外,氢燃气轮机可化解我国天然气紧缺导致的燃机行业发展阻力,有利于推动燃气轮机高端装备制造产业升级。

天然气掺氢的应用

氢能应用模式丰富,在交通运输、工业、建筑等领域都可应用,包括作为燃料电池汽车用于交通运输领域,为工业领域提供清洁的能源或原料等,分布式发电或热电联产为建筑提供电和热。

因此,作为氢能的利用技术之一,掺氢天然气不仅在管道运输方面备受关注,在上述其他领域也有着巨大的减排潜力。

1、天然气掺氢输送

目前掺氢天然气技术广泛地运用在管道输送方面。天然气管网具有区域广、输送量高、传输距离长及费用低等优势,利用现役天然气输配管网与基础设施掺氢输送,可实现低成本、规模化的氢能供应。

由于钢材在氢气环境下会产生氢损伤,包括氢脆、氢致裂纹、氢鼓泡等,此外在较高的温度压力下还会发生脱碳和氢蚀。其中氢脆(氢原子进入金属晶格内部,使金属材料内部产生裂纹的现象)是发展掺氢天然气管道输送技术的主要安全问题。

为解决氢运输中这一问题,天然气掺氢输送提供了良好的解决方案。该系统主要包括在役天然气管道系统、产氢装置、压缩装置、降压装置、输送装置以及终端装置。

天然气掺氢输送的工作流程为:通过新型的可再生能源电解水制氢;将氢气压缩后,存储于储氢装置中;经过降压装置的氢气与稳压后的天然气,氢气流量依据天然气输送量的随动注入掺混装置中混合;利用天然气管道及配套设施进行输送,流经输送装置时需考虑氢气对管道、阀门及焊缝的影响;最后,经终端装置分输给用户。

图说:天然气掺氢输送系统组成示意图
来源:天然气掺氢输送系统氢脆研究进展
 

目前,国际上尚未出台掺氢天然气管道输送系统专用的标准规范,各国天然气气体质量规范中可允许的最大掺氢比例也各不相同,详见下图(特殊工况分别为:德国,未与管网连接的压缩天然气加气站;立陶宛,压力大于1.6MPa的天然气管道;荷兰,高热值煤气),大多数国家和地区设置的掺氢比例不超过2%,少数设定为4%~6%,德国虽然规定上限为10%,但如果压缩天然气加气站连接到管网,则该比例大幅下调至2%以下。

图说:部分国家和地区对天然气中掺氢比例上限的要求
来源:国际能源署
  

我国目前缺乏专门针对氢气管道的标准,我国天然气管道输送相关的标准规范《煤制合成天然气》(GB/T33445—2017)《进入天然气长输管道的气体质量要求》(GB/T 37124—2018)中,分别规定了混合气体中氢气比例上限不超过5%和3%;两标准分别针对煤制合成天然气和天然气管网,考虑到天然气/煤制天然气生产过程中有氢气,诸如焦炉煤气中氢体积分数约50%、甲烷约30%,且氢气含量作为一项重要技术指标,需严格控制,达到控制和保证天然气/合成天然管网输运安全。可以看出,各国对天然气中氢气含量要求较为严格,即便是开展了掺氢天然气管道输送相关示范和研发工作的国家,对天然气中可掺氢比例依然相当谨慎,相关标准中规定的掺氢比例上限都未超过10%。

2、交通运输

燃油汽车排放是污染城市空气的重要来源之一。因氢气具有不同于天然气的特性:燃烧速度快、着火范围较宽等,一定比例的掺氢天然气运用于发动机中使用具有节能减排的优势,能够使发动机性能大为提高,可改善燃烧特性,发动机的动力性、排放性均有明显的改善。研究表明,在天然气中掺混20%的氢气,发动机热效率可提高15%,经济性提高8%,污染物排放降低60%~80%。

来源:H2SAREA
  

在船运中,船用LNG动力发动机以混烧机和双燃料发动机为主。由于天然气中90%左右的体积分数由甲烷组成,甲烷没有C-C链,因此燃烧基本不会产生碳烟,使用天然气作为燃料能保证船舶在降低NOx和CO排放的同时,使SOx排放基本为零,而掺氢天然气能使LNG动力发动机减排能力更上一层楼。

据研究表明,LNG动力发动机燃料掺氢能够明显改善一氧化碳排放,由于氢(H2 )不含C原子,使用掺氢燃料将有效降低温室气体的排放;氮氧化物的排放变化不明显;由于H2良好的着火性,掺氢天然气燃烧速率较快,将有效提高LNG动力发动机的动力性;通过燃料掺氢将使船用LNG动力发动机的优势更加显著。

3、燃烧(民用燃气具及工业锅炉)

天然气掺氢燃料通过管网至家用灶具燃烧使用也被认为是改善城镇燃气质量与烟气排放的有效途径之一。研究结果表明,在低于20%体积分数的掺氢比例下,掺氢天然气在家用燃气具中燃烧的点火率、火焰稳定性与烟气排放性能全部合格而未发现安全性问题,烟气排放指标满足标准要求,并且随着氢气的体积分数增加,烟气中CO与NOX排放量有所降低。

针对天然气掺氢燃烧技术在燃气锅炉的最佳掺混比的研究表明,随掺氢比增加,燃烧温度上升、燃烧反应速率加快,炭烟和CO的浓度与排放总量均降低,NOX的浓度上升,但排放总量先减小后增大。

4、发电

在氢能源工业应用领域内,燃氢燃气轮机是达成“全球使用可再生能源在2050年实现无碳-氢能社会”目标的关键因素之一。据研究表明,当该燃烧器在10%到20%的氢含量范围内,可实现安全和稳定燃烧,并满足排放的要求。

此外,土耳其学者们以20%掺氢天然气系统对实际房屋光伏系统的影响做了一项研究,表明掺氢天然气使光伏系统的功率提高14.28%,光伏系统容量的使用量下降。房屋的碳足迹减少了67.5%。

图说:光伏系统模型
来源:国际氢能杂志
  

天然气掺氢的“潮流”已经席卷多国

天然气掺氢相关应用技术在2000年之后开始被深入研究。在碳中和的背景下,各国政府将天然气掺氢项目作为氢能应用场景探索大力推广。截止2019年年初,据IEA数据显示,各国有37个示范项目正在研究天然气网络中掺氢。

英国: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,用于向基尔大学现有的天然气网络注入高达20%的氢气,为100户家庭和30座教学楼供气。该项目于2018年成功获得HSE许可,在基尔大学开展20%比例的掺氢实验,该项目的掺氢比例目前为欧洲最高。

意大利:2019年4月意大利公司Snam在南意大利启动了一项天然气掺氢项目,并向该地区的两家工业公司输送了含量为5%的掺氢混合气。2019年底,Snam将该项目的掺氢量翻了1倍达到10%。这意味着Snam每年将向该管道注入70亿立方米氢气。

德国:2019年8月德国公用事业公司意昂(E.ON)的子公司Avacon计划将其天然气管道网的氢气混合率提高到20%。此外德国天然气网络运营商协会(FNB Gas)曾指出,鉴于德国的天然气基础设施较为完善,氢气适合在德发展,并将敦促政府逐年递增天然气管网纳入氢气的比例,如从2021年的1%升至2030年的10%。

西班牙:2022年5月22日,西班牙第二大天然气分销商Nortegas推出H2SAREA项目,这是西班牙第一个向现有天然气网络注入绿色氢气的国家级示范项目。该公司将向其现有的8000余公里管道基础设施注入氢气,目的是为巩固以氢作为西班牙住宅、工业和移动市场的经济脱碳杠杆的地位。

中国:目前国内首个电解制氢掺入天然气项目——由辽宁省朝阳燕山湖发电有限公司承接的国家电投天燃气管道掺氢示范项目已进入试验阶段,试验成功后将建设每小时生产1000立方的氢气生产线。目前已建成每小时生产10立方氢气的生产线,采取水电解制氢方法,通过把氢气经压缩、加储、掺混等环节进入天然气管道,试验结束后将出台一个天然气掺氢的标准,弥补国内空白,把天然气掺氢项目推到市场化去;2021年12月15日,内蒙古科技重大专项 “掺氢天然气内燃机关键技术研发及示范应用” 项目正式启动。该项目实施后,将为我国掺氢天然气(HCHG)内燃机关键技术突破、核心零部件开发、样机研制及工程应用提供技术支撑。

天然气掺氢的未来发展

天然气掺氢在为社会脱碳努力的同时,也面临着一些安全方面和成本控制的挑战。在运输方面,掺氢使气体的渗漏和燃烧爆炸风险增加,且随着掺氢浓度的增加危险程度也逐步增加,泄漏后果的影响需要根据具体的泄漏环境进行分析。

但也有观点认为,氢气在空气中的扩散系数远大于天然气,这样便不易造成扩散后的聚集,从而降低了危险性。

在民用燃烧方面,当氢气加入天然气中导致燃气组成改变时,燃烧工况会改变,这将会影响燃具的性能,甚至可能导致燃具无法正常工作,发生回火现象,带来一定的安全问题。在工业应用中,由于工业燃烧器具有高度多样性的特点,不同类型燃烧器的最大掺氢量各不相同,因此难以对天然气掺氢带来的影响得出普遍结论,也无法对掺氢浓度制定统一标准。

此外,多家行业机构进一步表示,目前氢气的生产成本仍远高于天然气,如果要大规模推广天然气掺氢,政府和企业需要算好“经济账”。根据国际可再生能源署(IRENA)的测算,混掺20%的氢气仅能比单纯使用天然气降低约7%的温室气体排放,而掺氢后天然气供能的成本却远高于单纯使用天然气。

IRENA同时指出,由于成本过高,天然气掺氢还面临着来自其他降碳方式的竞争,比如,使用碳捕捉与封存(CCS)装置降碳,按照其市场发展速度,成本将很快降至200美元/吨以下,这将对天然气掺氢降碳产生很大压力。对此,IRENA建议,各国政府应尽快对天然气掺氢管道提供相应补贴。

(图片来源:veer图库) 

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