氫能是推動傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發展的理想互聯媒介。作為清潔原料和燃料，是實現交通運輸、傳統工業和建筑等領域大規模深度脫碳的終極能源。一方面，氫能是風電、光伏等不穩定可再生能源的轉換中樞;另一方面，氫可廣泛用于發電和發熱等領域，使用過程具備“零碳排放”的優勢。

 

可再生能源制氫是解決我國風、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的迅猛發展，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電與難以實現電氣化的行業之間搭建橋梁。同時，氫氣的儲存和運輸成本過高仍然是行業的痛點。風電并網和消納問題正成為制約風電開發的最主要因素，因此將氫氣摻入天然氣中將是解決大規模、長距離氫氣輸送的一個良好的過渡方法。

 

天然氣摻氫技術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)，通過現有天然氣管道進行輸送，并可直接替代天然氣進行使用的一種能源技術。該技術的突破及應用，將有助于我國綠色能源發展戰略的順利實施，保障和促進我國清潔能源行業的健康發展。但當前氫氣大規模儲運技術存在技術壁壘，現有的技術都不適用于當前的形式，將氫氣摻入天然氣中使用天然氣管道輸送為氫氣長距離、大規模運輸提供了新的思路。目前世界許多國家已經逐步開展天然氣管網摻氫項目。

 

國內外典型項目

 

荷蘭項目

 

荷蘭Ameland于2008－2011年開展了有關將風電制氫摻入當地天然氣管網的研究，其中2010年年平均氫氣摻入體積分數達到12%。

 

日本天然氣摻氫項目

 

日本三菱日立動力系統有限公司(MIPS)將體積分數為30%的摻氫天然氣通入大型燒燃氣輪機中進行測試。結果表明，MPS專用燃燒器燃燒摻氫天然氣可以實現燒燃氣輪機穩定運行，與單純燃燒天然氣相比，CO2的排放量可以減少10%，發電效率大于63%，且除了燃燒器外，其他部件可以不用改動，減少了改造的成本。

 

英國項目

 

2020年1月，英國示范項目HyDeploy正式投入運營。該項目是英國首個向燃氣中注入氫氣以供家庭和企業使用的試點項目，向現有的天然氣管網中注入體積分數高達20%的氫氣，同時向100戶家庭和30棟教學樓提供摻氫天然氣。

 

德國項目

 

2019年8月，德國意昂(E.ON)的子公司Ava-con計劃將其天然氣管網的氫氣混合率提高到20%。Avacon將在斯科普斯多夫市安裝400套供暖系統并和其他用戶設備進行“酸性試驗”。

 

國內項目

 

目前，中國能源企業也在進行天然氣管網摻氫的嘗試和部署，力圖突破天然氣摻氫技術瓶頸，積累天然氣摻氫與管道適應性的相關數據，撰寫天然氣管道摻氫的規范和標準，促進能源產業體系升級，助力中國在世界第三輪能源更替過程中掌握主動贏得先機。

 

朝陽可再生能源摻氫示范項目是國內首次嘗試將電解水制得的氫氣摻入天然氣中。該項目設計了天然氣摻氫在線混合系統，通過試驗驗證天然氣管道與摻氫天然氣的適應性，摻氫天然氣多元化應用等技術的穩定性和可靠性，突破天然氣摻氫技術瓶頸，填補國內天然氣管道摻氫示范項目的空白。

 

氫氣對天然氣管道的影響

 

氫氣摻入天然氣管道后會對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壁受到氫氣的侵蝕，造成材料塑性和強度降低，并因此而導致的脆斷或延遲性的脆性破壞。應根據不同的氫脆機理，制定相應的防護方法。

 

天然氣管網包括長輸管道和配送管道，長輸管道輸送壓力較高，一般選擇高鋼級鋼管。有研究表明，鋼級越高越容易發生氫脆。

 

CGA－5.6－2005《HydrogenPipelineSystem》研究表明，當天然氣摻氫體積比≤10%時，可使用不高于X52鋼級的管道直接運輸，鋼級高于X52的天然氣管道需要進行氫脆試驗。

 

中國海洋石油新能源研究院進行了天然氣摻氫與管道適應性模擬試驗，開展了氫氣對長輸管網的腐蝕性研究。結果表明，在H2體積分數為16.7%時，輸氣壓力為12MPa的工況下，使用X70鋼不會產生氫腐蝕，鋼機械性能也不會發生顯著下降。

 

我國天然氣管道分析

 

管道分布和壓力

 

我國天然氣主產地集中于中西部及沿海地區，而消費地集中于東部及中部人口密集和經濟發達地區。此外，我國進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、內蒙古、黑龍江等地。因此我國非常重視天然氣管網的建設，目前已初步形成了“西氣東輸、海氣登陸、就近供應”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《能源發展戰略行動計劃(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，繼續加快天然氣管道及儲氣設施建設，形成進口通道、主要生產區和消費區相連接的全國天然氣主干管網。

 

根據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;中壓管道一般為區內干線、聯絡線和干線配套支線管道等，設計壓力為4～12MPa;低壓管道一般為城市燃氣管道，其壓力低于4MPa。

 

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)，天然氣摻氫對管道的實際影響有待進一步的驗證。從歐美國家的經驗來看，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，可以進行管道氫脆的驗證實驗。

 

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即為城市天然氣管網。城市管網的天然氣輸氣壓力一般低于4MPa，其材質一般采用低強度鋼Ｒ245～Ｒ365和非金屬材質如聚乙烯等。若按摻氫比例10%計算，管道中的氫氣分壓低于0.4MPa，在此壓力下基本不會產生氫脆等問題。

 

綜上所述，利用現有天然氣管道輸送較低摻氫體積比的摻氫天然氣，基本不會產生氫脆等問題，可以保證管道的安全運行。為了保證安全，可以對干線管道的氫脆進行驗證實驗，以更好地開展下一步工作。

 

天然氣摻氫發展分析

 

在交通領域，使用摻氫天然氣作為CNG汽車動力燃氣，有著較好的燃燒特性和較低的排放指標。目前，國內清華大學等單位開展了摻氫天然氣在CNG汽車上的應用研究和示范，取得了較好的研究成果。未來交通領域將會是摻氫天然氣應用的一個可行方向。

 

摻氫天然氣可直接用于居民燃氣。近年來，我國空氣污染問題越來越嚴重，尤其是北方冬季的霧霾，更是嚴重影響人們的健康。空氣污染物的來源主要為煤、石油等化石能源的燃燒導致。而將氫氣摻入到城市天然氣管網用于冬季供暖和居民日常生活，還能進一步降低硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)等有害物質的排放，更有利于空氣污染的治理。

 

結語和建議

 

據統計，我國三北和西南地區的年棄風、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，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，同時又在一定程度補充了我國天然氣的缺口。另外，還有利于緩解我國東部地區的大氣污染問題。總體來看，天然氣摻氫項目的推廣應用可以產生良好的經濟和社會效益。我國對天然氣管道摻氫的研究較少，且缺少相關標準規范、評估方法和實際試驗數據。為促進我國在摻氫這一領域的發展，建議如下:

 

在保障管道設備設施安全的基礎上，在特定城市的天然氣管道網絡中開展摻氫天然氣和管道適應性研究，積累相關實驗數據，形成天然氣摻氫的相關標準規范，突破技術壁壘;針對不同材質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估標準和評估方法。