国电投天然气掺氢技术通过成果鉴定，天然气掺氢该如何应用？又有怎样的未来？
天然气掺氢近期又有新的动态。
近日，国家电投东北公司燕山湖发电有限公司“天然气掺氢技术研究及应用示范”科技成果鉴定会在线上召开，并通过中国可再生能源学会鉴定专家组认定，总体技术达到国际领先水平。
截至目前，本项目形成的技术和成果，实现了天然气掺氢安全管理系统在真实场站的应用，搭建了适用于天然气掺氢示范现场的在线监测平台，并成功应用于真实天然气掺氢场站，突破并掌握了天然气流量随动掺氢混气技术，属国内首创。
该项目技术应用能够有效降低氢气使用成本，为“氢进万家”战略实施提供了有力支撑。当前氢气价格1.8-7元/m3的范围内，随着相关技术不断成熟，预计在2030年，氢气价格会降至0.9-1.5元/m3，输气成本可控在控，将带动全国上万亿元的氢能全产业链年产值增长。
关于天然气掺氢的项目，国家电投并非初次尝试：
2019年9月，国家电投集团公司在辽宁朝阳完成了国内首个天然气掺氢示范项目第一阶段工程，填补了国内在技术和标准方面的空白；
今年年初，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入运行，并验证了总体方案的可行性。据了解，这也是世界上第一个在天然气商业机组中进行掺氢燃烧的联合循环、热电联供示范项目。改造后的机组具有纯天然气和天然气掺氢运行模式的兼容性。
事实上，近年来全球多个国家已经在试点通过天然气输配管网掺混氢气，包括日本、澳大利亚、德国、意大利等。未来几年，更多的国际石油公司表示将开展制氢项目，例如挪威国家石油公司、英国管网公司等。毫无疑问，氢能在天然气行业的应用将成为一种趋势。
01
天然气掺氢的应用
天然气掺氢扩大了氢能应用场景，具有有一举多得的效益：
改变天然气的燃烧特性，增加燃烧值；
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；
大大降低二氧化碳的排放。
天然气掺氢产业作为氢能“储输用”的重要依托，需要从上游制氢到下游掺氢天然气终端利用等全产业链各环节的技术支撑。
上游制氢环节未来随着来随着风能、太阳能等新能源发电成本的降低，“可再生能源+电解水制氢”将降低碳排放强度，成为大规模制氢的优选方案。
中游环节包括混氢、掺氢天然气储运，按照应用场景可分为向天然气长输管道、城市燃气管网掺混一定比例氢气来分别实现天然气掺氢输送。【关于天然气掺氢管道运输相关阅读-凌云股份计划研发PE管输氢，管道输氢还在多远的未来？】
下游环节主要是终端多元应用生态。居民用户、商业用户、工业用户等终端用户，既可直接使用掺氢天然气，也可将掺氢天然气进行提氢分离后再分别使用。例如：
（1）燃烧
建筑领域可将掺氢天然气应用于燃气灶、燃气热水器、燃气壁挂炉、小型锅炉等；工业领域可将掺氢天然气应用于工业锅炉、燃气轮机、燃气内燃机、工业窑炉、工业燃烧器等。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。
（2）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。燃气轮机的混氢和纯氢燃烧，是实现碳中和的重要技术路径，这在全球范围已达成共识。目前全世界的燃气轮机厂商，如GE、西门子、三菱日立等企业都将目光投向了富氢燃料燃烧技术，并开展了大量的研究与验证工作。
当前，在我国富煤贫油少气的国情下，氢燃气轮机发电技术可以与氢燃料电池技术并行发展，有效支撑氢能参与我国未来能源体系的建设，实现用能终端的清洁低碳转型。
2021年3月29日，由中国能建广东院设计、广东火电承建的国内首个兼具氢能利用的一体化综合能源示范基地项目惠州大亚湾石化区综合能源站项目进行了第一方混凝土浇筑，标志着项目正式开工。项目规划建设4×600兆瓦级燃气-蒸汽联合循环热电冷联产机组，本期建设2×600兆瓦9H型燃气-蒸汽联合循环热电冷联产机组，相关机组由哈电通用燃气轮机（秦皇岛）有限公司生产。项目投产后，两台燃机将采用10%（按体积计算）的氢气掺混比例与天然气混合燃烧。
2021年12月23日，国家电投荆门绿动电厂在运燃机，成功实现15%掺氢燃烧改造和运行，机组具备了纯天然气和天然气掺氢两种运行模式的兼容能力。12月26日，改造后的机组接受电网调度，正式投入运行，整体方案可行性得到验证，这标志着国内已掌握一套完整的燃气轮机电站掺氢改造工程设计方案。
2022年3月，水发派思燃气参与建设的浙江石化燃气-蒸汽联合循环电站项目三台西门子SGT5-2000E机组，先后点火成功。水发派思燃气为电站供应调压站设备，此项目为世界首套天然气与氢气、一氧化碳混合介质调压站。
未来，可再生能源的规模化发展以及气电行业的减排需求，将会促进燃气轮机“掺氢”技术发展，作为大规模氢燃料发电的关键设备，掺氢燃气轮机将迎来巨大的发展空间。
（3）交通领域
掺氢天然气在交通领域也有良好的应用前景，如使用掺氢天然气燃料可有效提高天然气发动机的热效率并降低污染物，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%。
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。
02
天然气掺氢发展现状
在示范项目层面，诸多国家开展了天然气掺氢可行性研究、天然气管道掺氢输送示范工程建设，测试了不同比例的掺氢天然气对管网基础设施、终端设备的影响；已开展的天然气掺氢示范项目的掺氢比多在5%~30%，氢源以可再生能源制氢为主。
2019年，意大利国家天然气管网公司开展了5%氢气掺入天然气管网试验，目前掺氢比已提高至10%。
2019年，英国公司将20%氢气注入园区天然气管网以研究掺氢天然气对居民用户的影响。
2020年，澳大利亚启动了天然气掺氢示范项目，将基于可再生能源的电解水制氢以10%比例掺入到天然气管网并供用户使用。美国HyBlend项目针对天然气管道掺氢输送的技术瓶颈环节，开展长期使用条件下天然气管材和操作对氢气的相容性评估。
当前，欧盟、德国、法国、美国等发达国家和地区均发布了氢能战略，认为天然气管道掺氢输送、将天然气基础设施改造为氢能基础设施是打破氢能运输瓶颈、促进氢能经济发展的重要举措。目前主要国家和地区发展天然气掺氢产业的相关规划如图所示。
图 主要国家和地区发展天然气掺氢产业的相关规划
我国已是世界最大的制氢国，可再生能源装机量保持领先，未来可再生能源制氢的发展潜力巨大，发展天然气掺氢产业的基础条件良好，天然气掺氢产业尚处于起步阶段，目前初步建成的有2个：
辽宁省朝阳市天然气掺氢示范项目，氢源为电解水制氢，掺氢比例为10%，实现了制氢、储运、掺混、利用全链条验证；
山西省晋城市天然气掺氢示范项目，氢源为煤制氢。
此前，《“十四五”能源领域科技创新规划》、《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》以及《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》密集发布，要求开展掺氢天然气管道及输送关键设备安全可靠性、经济性、适应性和完整性评价，探索输气管道掺氢输送等高效输氢方式，开展掺氢天然气管道试点示范，逐步构建低成本、多元化的氢能储运体系。部分省份发布了地方氢能产业规划，将天然气掺氢技术作为氢能储运及终端应用领域的突破口，如图所示。
图 地方氢能产业规划
在氢能产业的加持下，天然气掺氢发展前景可观。IEA数据显示，所有正在推进的天然气掺氢项目都能落地，其规模将可能增加700多倍，氢气总掺入量将大于200万吨。若需要达到2030年全球净零排放的要求，氢气总掺入了需要可以达到5300万吨。
天然气掺氢扩大了氢能应用场景，也面临着一些氢脆等安全方面和成本控制的挑战。国际可再生能源署（IRENA）和其他机构一再提醒，天然气掺氢仍然存在一些技术挑战。在4月底发布的最新报告中，IRENA指出，在全球范围内，每个天然气管网和每个天然气管道对氢气比例的容纳程度不同。如果不进行大规模的基础设施改造，最终可行的掺氢比例可能低于预期。
此外，IRENA提示，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。
不过，在碳中和背景下，随着政策支持、技术创新进步以及清洁能源需求呼声的不断提高，天然气掺氢产业商业化具有广阔的未来。
参考资料
[1]仲冰,张学秀,张博,彭苏萍.我国天然气掺氢产业发展研究[J/OL].中国工程科学:1-8[2022-06-22].
[2]国家电投-《国家电投燕山湖发电天然气掺氢技术研究及应用示范通过成果鉴定》
推
荐
阅
读
1、新研氢能喜获超亿元融资，美锦能源参与跟投
2、天然气制氢领域新进展！气电集团国内首套“250Nm3/h小型橇装天然气制氢设备”通过鉴定
3、绿电制氢0.2元/度电费补贴！成都再发布低碳政策4、汉马科技官宣2025全面停止燃油车生产，专注新能源汽车！氢燃料电池汽车“未来已来”？5、氢能叉车30台订单签订，“强强强”联合助力氢燃料电池叉车跑出推广应用“加速度”6、满足500台氢车全年需要！海马汽车全产业链零碳排放汽车生态体海口项目竣工7、中电丰业与中国天辰签约，共同开发大规模水电解制氢整体解决方案
8、到2025年氢能产业链产业规模突破1000亿元！上海市发布氢能产业发展2022-2035年规划
编辑：戴戴联系邮箱：daixinxin@acmi.org.cn
添加管理员微信（微信号：ranliaodianchijun），加入氢燃料电池行业微信交流群
【免责声明】1、鉴于本平台发布稿件来源广泛、数量较多，如因作者联系方式不详或其它原因未能与著作权拥有者取得联系，著作权人发现本平台转载了其拥有著作权的作品时，请主动与本平台联系， 提供相关证明材料，本平台将及时处理；2、本平台文章转载目的在于传递更多信息，并不代表本平台赞同其观点和对其真实性负责；3、如其他媒体、网站或个人转载使用，需保留本平台注明的“稿件来源”，并自负法律责任；4、对免责声明的解释、修改及更新权均属于全球氢能所有。
【版权声明】图文转载于网络，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如有异议，请联系我们进行删除。