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氫能日參

天然氣管網摻氫是解決碳排放和大規模氫能運輸的重要手段，但高成本、安全隱患以及大眾對氫認知度不夠等是制約其發展的重要因素。

HCNG（Hydrogen enriched with Compressed Natural Gas）又名Hythane， 是天然氣摻氫燃料的簡稱，它是將氫氣與天然氣按一定比例混合而得到的代用氣體燃料，是“淺氫燃料”的一種。

氫氣具有燃燒速度快，燃燒界限寬，比熱值小，淬熄長度長等特點，天然氣中摻入氫氣可以改變天然氣的燃燒特性。摻氫天然氣可被直接利用，也可將氫與天然氣分離后分別單獨使用。

摻氫天然氣主要作為商業或者民用氣燃料，同時隨著未來氫燃料電池汽車產業的發展，可解決氫能大規模運輸的問題。

目前現有終端用戶燃具多是為天然氣以及液化石油氣為基礎而設計，氫氣直接作為燃料供應則需要更換燃氣用具并且要求敷設氫氣輸送管道，導致使用成本太高。

由于天然氣正處蓬勃發展的階段，世界上已建成天然氣管道數量龐大，其運輸和承載能力巨大，如果把電能轉換為氫能可以將氫氣摻混入現有的天然氣管網當中則能承載存儲相當大容量的能量。

圖 天然氣管道輸送系統

然而由于氫氣與天然氣（天然氣主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)組成）的理化性質差別巨大，且氫氣對金屬材料的劣化作用及其較寬的燃燒極限和更快的燃燒速率，加之天然氣管道輸送本身具有危險性，利用現有天然氣管道輸送摻氫天然氣的安全性問題亟待解決。

甲烷和氫氣的物性對比表

本文主要包括天然氣摻氫國內外研究現狀、國內外典型項目案例、產業存在的問題以及產業發展展望等內容，以供業內參考。

氫氣的長距離管道輸送已有 60 余年的歷史，歐洲大約有 1500Km 的輸氫管道，法國和比利時建有世界最長的輸氫管道，長約 400Km；美國有約 720Km 的輸氫管道；我國 2014年建成國內最長氫氣長輸管線（巴陵-長嶺）全長42公里。

然而，由于氫氣介質的特殊性造成的高造價（單位距離輸氫管線的造價是天然氣管線的兩倍多）、氫氣利用領域的局限性，氫氣管線的發展遠遠落后于天然氣管線，管道間未形成網絡，無法形成靈活的調配。以美國為例，天然氣管線的長度是氫氣管線的 2800 多倍。因此使用現有的天然氣管網混輸氫氣，優勢明顯。

一、國內外研究現狀

國外對于將氫氣摻混入天然氣管網使用的研究進行了三十年有余，并取得一定的研究成果。然而在國內，相關的研究起步較晚且相關研究結論相對較少。

1、氫能源利用的可行性研究現狀

荷蘭學者Ruben Smit等建立理論研究，通過分析能源負荷需求量，提出建立試點進行氫能源小范圍使用推廣方案, 進而發展大規模氫管道基礎設施實現氫氣的運輸和分配，通過建立特定模型，分析技術上和經濟上的可行性方案。

國外學者Christoph Stiller等基于各個區域對能源需求水平的不同，匹配以多種氫氣輸送方式，綜合氫氣生產技術選擇、能源價格和溫室氣體排放限制政策，運用區域模型優化燃料供應站網絡，分析氫燃料生產輸送成本和平均價格，確定管道、卡車以及定點供應的方案。

2、天然氣摻混氫氣互換性研究現狀

天然氣摻混氫氣使用應首要考慮其與天然氣的互換性。鑒于各個國家和地區使用的天然氣氣質不相同，進行互換性判斷得出的結果會有所差別。

英國學者R. Judd, D. Pinchbeck認為，天然氣系統多數部件都能比較好的適應10%添加量的氫氣。對于燃氣式家用灶具，氫氣添加量則需小于23%；天然氣汽輪機適應氫氣摻混需小于5%，但是經過整改和調整的燃氣輪機能適應的摻氫百分比為5%~10%。

比利時學者Dries Haeseldonckx 研究結論表明，對比純天然氣能量流量輸送，隨著氫氣摻混體積比的增加，管網輸送摻混氣的能量流量呈現出先降后升的趨勢，在氫氣添加體積百分比為85%時最小。

3、氫氣安全性研究現狀

對于摻混氫氣后的天然氣安全性，外國學者R. Wurster等基于著爆炸極限，最小著火能量，爆炸性分析表明，空氣中氫爆炸極限4%比甲烷5.3%稍低而遠高于丙烷的2.1%和汽油的1%。此外在該爆炸下限濃度范圍內氫氣與甲烷的最小著火能相差無幾，同時由于氫氣擴散強，使其在空中很難聚集至該濃度范圍。

因此結論指出考慮氫氣和甲烷爆炸性不應該以最小的點火能量為基礎而是著重預防燃氣擴散至限制濃度或者避免點火源。

國內學者李星國研究表明，由于氫氣體積小，浮力強以及擴散性強， 若是發生泄漏則很難達到其可燃爆炸范圍。

4、管道設備對氫氣摻混適應性研究現狀

天然氣管道以及其他天然氣設備對于天然氣摻混氫氣會產生適應性影響，對此英國學者Paul E. Dodds 提出現有的供氣系統管道輸送氫氣會產生氫脆現象，其研究結論得出高壓輸送采用軟鋼管道可以降低氫脆發生的概率；輸送低壓氫氣推薦使PE管道。

我國學者杜中強等分析鋼制設備在氫環境中產生的氫致腐蝕機理。提出了導致臨氫設備腐蝕失效的主要原因有：氫損傷、氫和濕硫化氫腐蝕、高溫氫和硫化氫的腐蝕。

國外學者R. Judd, D. Pinchbeck也提出氫脆對天然氣設備的作用。其研究結論得出，由于氫脆的影響拉伸強度超過950MPa的CNG汽車用鋼管氫氣添加量需小于2%。

我國學者張小強等則針對氫脆產生的問題，研究天然氣管道中添加氫氣后管材與氫氣濃度、輸送壓力等之間的相互關系。

其結論表明，為使得管道安全運行，當天然氣管道工程中摻混氫氣體積百分比小于10%時，管道操作壓力需小7.7 MPa；而摻混的氫氣體積百分比大于10%時則需控制管道運行壓力在5.38 MPa以下。

國內學者黃明表示運用天然氣管道混輸氫氣會產生氫脆反應，而氫脆現象對于聚乙烯管較為友好。但是聚乙烯管卻存在著氫氣滲透的現象，并且其滲透率是天然氣的5倍，然而該滲透損失量相對于年輸送量是微乎其微。

二、國內外典型項目案例

據IEA數據顯示，各國有37個示范項目正在研究天然氣網絡中摻氫。研究項目中包括通過天然氣配送網絡摻氫為家庭和企業供熱可行性、測試天然氣網絡摻氫比例對天然氣輸配關鍵設備、材料、終端設備和電器的影響、摻氫天然氣地下儲存的技術和監測要求等。

同時，天然氣摻氫標準研究工作紛紛推進。在歐洲，HyReady和HIPS-Net等技術委員會和行業組織正在研究摻氫的標準，而歐盟委員會也在研究氫在天然氣網絡中的作用及相關標準。

1、國外典型項目案例

歐盟 NATURALHY 項目，開始于 2004 年 5 月 1 號，完成于 2009 年 10 月31 日。該項目大范圍實驗研究了工業用和家用加氫天然氣的氣體溢出和爆炸行為，評估了加氫量的影響，實驗表明從產生氣體積聚的本性來看，HCNG 建筑內的溢出特性和天然氣類似。

但是，氣體的濃度和聚集的體積隨著氫氣的添加而增加，不過 50%內的增加值很輕微；室內爆炸的嚴重性會隨著氫氣的增加而加重，但是對于 20%的 HCNG 來說危害的加重微乎其微。

2008-2011 年，在荷蘭的 Ameland 開展了有關將風電氫摻入當地天然氣管網的研究，其中 2010 年年均氫氣摻入體積分數高達 12%。

在德國的 Falkenhagen，一個具有 2MW 電轉氫能力的示范電廠于 2013 年完全服役，制取的氫氣被直接送入天然氣管線。法國環境與能源控制署(ADEME)贊助的“GRHYD”項目則將可再生能源制得的氫氣摻入天然氣中供加氫站和居民使用，摻氫體積分數最高將達到 20%。

HyDeploy 是英國第一個證明了可以安全地將氫氣混合進天然氣供應系統，而無需更改設備和相關干擾因素的項目。HyDeploy 的目的主要是建立初步證據基礎，即可以將氫氣混入英國的運營天然氣供應網絡，同時并不會給用戶帶來干擾，也不會以犧牲終端用戶的安全為代價。如果本計劃得以大規模部署，以 20摩爾%的比例混合氫將釋放 29 TWh pa 的脫碳熱量，并可以為未來實現更深度的節能提供參考。

全國范圍內推廣使用 20 摩爾%氫氣混合物可減少的碳排放量相當于減少了 250 萬輛汽車行駛。

HyDeploy 是英國一項具有開創性的項目，旨在通過氫氣的發展使燃氣網絡脫碳，并為氫能領域的技術突破、實際操作與監管制度的完善提供一個很好的范例。總體而言，實驗室測試表明，在所測試的各種家用電器中，他們都能在氫氣濃度高達 28.4 摩爾%的情況下安全運行。

日本三菱日立動力系統有限公司（MHPS）進行了使用30% 氫燃料混合物的大型燃氣輪機測試。 測試結果證實，通過使用新開發的 MHPS 專有燃燒器來燃燒混氫天然氣，可以實現穩定燃燒。 與天然氣發電相比，使用 30% 的氫氣混合物，CO 2 排放量減少了 10% ，發電效率高于 63%。該系統的突出優點是除了燃燒器需要升級，其他設備可以不加修改地使用，從而減少將天然氣發電廠轉換成氫燃料的潛在成本。

俄羅斯將氫氣視為使歐洲天然氣更加綠色的方式。最近俄羅斯正在考慮如何在歐洲開發氫氣市場。俄羅斯天然氣工業股份公司正在設想的是逐步提高氫氣在這些管道中的份額，然后通過不會加劇全球變暖的綠色工藝將其天然氣轉化為氫氣。該公司正在研究一種稱為熱甲烷熱解的工藝。

該反應在低溫，非平衡的等離子體中進行，該等離子體在小型反應器中置于高壓下。該公司正在西伯利亞托木斯克鎮試驗這項技術。該過程產生純氫氣流，碳以固體形式脫落而不是以 CO2形式逸出到空氣中，固體碳可用于工業。如果風能或太陽能農場用于產生該過程所需的能量，則零排放將用于制造氫氣。

2、國內典型項目案例

國內對于天然氣管網摻氫的范例極少。2019年9月30日，國家電投2019年重點項目--朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程圓滿完工。該項目是國內首個電解制氫摻入天然氣項目，填補了國內天然氣管道摻氫規范和標準空白。

2019年8月23日，朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程破土動工，利用燕山湖發電公司現有10Nm3/h堿液電解制氫站新建氫氣充裝系統，氫氣經壓縮瓶儲后通過集裝箱式貨車運至摻氫地點；廠外在朝陽朝花藥業公司建設天然氣摻氫設施，實現天然氣摻氫示范。

該項目是國內首個電解制氫摻入天然氣項目，通過驗證電力制氫和氫氣流量隨動定比摻混、天然氣管道材料與氫氣相容性分析、摻氫天然氣多元化應用等技術的成熟性、可靠性和穩定性，達到全面驗證示范氫氣"制取-儲運-摻混-綜合利用"產業鏈關鍵技術的目的，打破國外技術壟斷，填補國內天然氣管道摻氫規范和標準的空白，促進相關產業體系升級。

三、產業發展存在的問題

1、公眾對摻氫天然氣認知程度較低

目前，很少有研究表明氫將如何被用于家庭供暖，關于安全、成本和性能的問題才剛剛開始被理解。2019年上半年，紐卡斯爾大學對英國民眾進行了一份抽樣調查(有效樣本742個)。本次研究調查了公眾對摻氫天然氣作為英國家庭燃料的看法，涵蓋了對氫的基本認知、價值觀、摻氫的可能性和缺陷、公眾信任以及參與者對氫的整體支持。

調查表明，公眾對氫作為一種可能用于英國家庭燃料的認識有限。64.4%的受訪者僅能正確回答最多一個關于氫的問題。大多數受訪者認為，他們對氫的了解還不夠，無法對是否要使用氫給出意見或者拒絕接受為家庭燃料。

世界上大部分國家對氫的認知程度均較低，因此加強對氫這種新型清潔能源的知識普及和客觀宣傳至關重要。

2、摻氫將降低天然氣網絡輸送量

氫的能量密度低，大約是天然氣的1/3，保持相同壓力下摻氫會降低輸送氣體的能量含量。IEA數據顯示，在天然氣輸送管道中加入3%的氫氣，將使管道輸送的能量減少2%左右，最終用戶天然氣需求量有所上升。

3、天然氣管網摻氫比例限制多

因為面臨諸多挑戰，天然氣摻氫的標準在包括我國在內的多個國家仍有空白。推進更為積極的歐洲國家也表現謹慎，大多數國家和地區設置摻氫比例不超過2%，少數國家和地區設定為4%到6%之間，德國雖然規定上限為10%，但如果壓縮天然氣加氣站連接到網絡，則該比例大幅下調到2%以下。

部分國家和地區允許的最大摻氫比例（來源：IEA）

在一些相關設備的規格方面也存在限制，摻氫上限取決于與其相連的設備，管網范圍越大，設備越多，對摻氫上限的要求可能越嚴格。例如，摻氫后使用天然氣作為原料的化工企業可能需要調整工藝和流程。現有燃氣輪機的控制系統和密封無法適應高比例的氫氣，摻氫比例需低于5%。已安裝的燃氣發動機因相同原因，氫的最大濃度為2%。歐洲標準規定燃氣輪機所供天然氣的氫含量必須低于1%。

天然氣價值鏈各環節允許的最大摻氫比例（來源：IEA）

4、安全和成本問題

金屬材料在氫環境下有可能發生氫脆問題，氫氣對輸送管道的影響主要是材料韌性的損失和疲勞裂紋擴展速率的增加，這是影響摻氫比例的一個重要因素。

另外氫的摻入會使點火能量降低、泄漏速率加快、可燃范圍增大，摻氫比例的增加會使泄漏、燃爆危險相應增加。檢測手段和設備需要完善，現有的管道完整性管理也需做調整適應摻氫帶來的影響。

紐卡斯爾大學對英國民眾進行的摻氫天然氣作為英國家庭燃料的看法調查報告顯示，至少44%的受訪者表示，他們非常擔心天然氣泄漏、爆炸和火災的可能性。

雖然77%的受訪者相信政府將制定足夠的安全預防措施來管理使用氫的任何風險，但受訪者最初的安全擔憂水平與他們對氫的整體支持顯著相關。這意味著氫的負面安全認知確實存在，而且很重要。

此外，氫氣目前相對于天然氣的成本仍然較高，受訪者提出的最重要的反對意見是能源成本。43.7%的受訪者暫時不支持氫的原因在于“氫會不會太貴”，77.2%的受訪者表示相對于現有支出，他們可能無法支付或者不愿意花更多的錢在氫能上。因此，未來摻氫天然氣有關的任何成本，如果轉嫁給公眾，都有可能遭到抵制。

四、個別省份對摻氫的態度

四川成都鼓勵氫能多領域應用示范。在本市公安車輛管理部門注冊登記的氫燃料電池汽車新車，按照中央財政單車補貼額的50%給予市級配套補貼。對于我市組織開展的分布式能源、熱電聯供系統、摻氫及供氫管網建設等示范項目，按實際投資（不含土地成本）的10%給予最高500萬元的一次性補貼。（責任單位：成都市經信局、市財政局、市公安局交管局）

五、發展趨勢展望

降低碳排放是全球所有國家的使命，氫以清潔、高熱值和零排放的優勢未來必將成為完成這項使命的主角。但是，我們需要承認的客觀事實是，氫的運輸是每一個國家氫能產業發展的薄弱環節，經濟性和安全性都有待完善。無論是作為商業、民用氣燃料還是應用于交通領域，天然氣管網摻氫都是解決上述問題的有效方案。

未來主干管網在設計時應盡可能考慮未來輸送摻氫天然氣的需求，提高未來摻氫輸送的可行性。

此外，現有研究成果尚不能較全面考慮實際情況，因此需繼續加強研究。例如加強管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗，充分考慮摻氫引起的泄漏速率加快、可燃范圍增大及燃燒速率加快等影響，全面研究摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題，加強對管道損傷、裂縫的探查和處理，為管道的安全管理工作提供依據；依據所建立材料的性能數據庫，測試現有天然氣管道檢測工具檢測的效果和修復方式的效果，建立摻氫天然氣管道輸送的完整性管理系統。

來源：第一元素網

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