劉 倫,韓 毅

(漢中市天然氣投資發(fā)展有限公司，陜西 漢中 723000)

氫能源具有清潔和燃燒后無(wú)污染、零碳排放等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的二次能源。為占領(lǐng)氫能源戰(zhàn)略高地，我國(guó)2021年以來(lái)相繼出臺(tái)了多項(xiàng)促進(jìn)清潔能源開發(fā)利用。落實(shí)碳減排的政策。2022年3月23日，國(guó)家出臺(tái)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021—2035年)》，明確了氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略定位和目標(biāo)，以及產(chǎn)業(yè)鏈的部署安排等，將有力促進(jìn)氫能的產(chǎn)供銷、儲(chǔ)、用相關(guān)行業(yè)的崛起。然而氫氣的輸送和大規(guī)模應(yīng)用，一直受技術(shù)、成本、安全等因素的制約[1]，致使氫能無(wú)法進(jìn)行規(guī)?；裼煤蜕逃?。

因此，眾多專家和團(tuán)隊(duì)普遍認(rèn)為，利用現(xiàn)有國(guó)內(nèi)已建成的天然氣管網(wǎng)，摻入一定比例的氫氣輸送，并在終端使用，是目前最為合適的輸送與應(yīng)用方式[2]。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)天然氣管道摻氫輸送研究最新應(yīng)用現(xiàn)狀，梳理了以陜西省為例的氫能支持政策、產(chǎn)業(yè)布局、資源條件及天然氣產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，分析了開展天然氣摻氫輸送的可行性及發(fā)展建議，旨在為促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)和天然氣摻氫技術(shù)的推廣發(fā)展提供指引，不斷擴(kuò)大氫能應(yīng)用場(chǎng)景，為碳達(dá)峰、碳減排做貢獻(xiàn)。

1 國(guó)內(nèi)天然氣管道摻氫輸送研究應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)外開展了多個(gè)天然氣管網(wǎng)摻氫試驗(yàn)示范項(xiàng)目，部分項(xiàng)目中的最高摻氫比例已達(dá)到20%(體積比)[3]。在壓力、摻氫比、管道材質(zhì)等特定條件下，實(shí)踐天然氣管道摻氫氣輸送的可行性和實(shí)用性，國(guó)內(nèi)多地已啟動(dòng)了天然氣管道摻氫輸送的示范項(xiàng)目研究。

1.1 國(guó)內(nèi)天然氣管網(wǎng)摻氫試驗(yàn)示范項(xiàng)目介紹

國(guó)家電投集團(tuán)于2018年啟動(dòng)了天然氣摻氫輸送方面的研究工作，隨后建設(shè)了國(guó)內(nèi)首個(gè)“綠氫”摻入天然氣輸送應(yīng)用示范——遼寧朝陽(yáng)天然氣摻氫示范項(xiàng)目。2019年9月30日，第一階段工程圓滿完工；2021年5月已經(jīng)進(jìn)入試驗(yàn)階段，10月該天然氣摻氫項(xiàng)目按10%的摻氫比例，在終端燃?xì)饩呱蠎?yīng)用驗(yàn)證成功?，F(xiàn)已安全運(yùn)行1年多。該示范項(xiàng)目在役管道與氫氣的相容性、天然氣摻氫混氣工藝、摻氫天然氣管道輸送工藝、管道安全保障技術(shù)和終端燃燒應(yīng)用等方面開展了相關(guān)研究，為其他示范項(xiàng)目提供了重要的理論和數(shù)據(jù)支撐。

2020年9月11日，由張家口鴻華清潔能源科技有限公司牽頭，國(guó)家電投集團(tuán)等公司參研，共同聯(lián)合承擔(dān)的項(xiàng)目——河北省首個(gè)天然氣摻氫示范項(xiàng)目正式啟動(dòng)。據(jù)公開報(bào)道，該項(xiàng)目中摻氫天然氣將應(yīng)用于張家口市的部分居民和商業(yè)用戶，以及HCNG汽車。該項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)氫能多元化綜合利用、天然氣摻氫多場(chǎng)景應(yīng)用、管道摻氫輸氫均具有重要示范意義。

2021年，寧夏回族自治區(qū)啟動(dòng)了“輸氫管道及燃?xì)夤芫W(wǎng)天然氣摻氫降碳示范化工程中試項(xiàng)目”；深圳燃?xì)庖嗾陂_展管道燃?xì)鈸綒涞惹捌谘芯抗ぷ鳎粌?nèi)蒙古“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目已啟動(dòng)。四川、山西、寧夏、內(nèi)蒙等省市也陸續(xù)啟動(dòng)了天然氣管道摻氫輸送相關(guān)技術(shù)研究和推動(dòng)著示范項(xiàng)目。

雖然國(guó)內(nèi)各地如雨后春筍般地啟動(dòng)了相關(guān)天然氣管道摻氫輸送的試驗(yàn)研究，根據(jù)各地不同的政策和資源，以及應(yīng)用市場(chǎng)等條件來(lái)選取示范點(diǎn)和范圍，不斷地在探索相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和管道運(yùn)行安全影響因素方面進(jìn)行了分析與總結(jié)，主要圍繞局部管段或區(qū)域特定用戶的示范應(yīng)用，但尚未開展廣泛應(yīng)用天然氣管道摻氫輸送，國(guó)內(nèi)也無(wú)天然氣管道摻氫輸送的專用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來(lái)參考或執(zhí)行[4]。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)行可參考的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)天然氣摻氫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范依據(jù)。但《煤制合成天然氣》(GB/T33445-2016)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氫氣體積分?jǐn)?shù)高限為3.5%；《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》(GB/T37124-2018)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定不超過3%；在《天然氣》(GB17820-2018)以及新頒布的《燃?xì)夤こ添?xiàng)目規(guī)范》(GB55009-2021)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，未對(duì)具體氫氣含量給出限制，只提出要保證混氫天然氣的參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)[5]。

在管道輸送氫氣方面，國(guó)內(nèi)處于起步探索應(yīng)用階段。為快速適應(yīng)對(duì)氫能的發(fā)展和利用，如《天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程》《氫氣輸送工業(yè)管道技術(shù)規(guī)程》《城鎮(zhèn)民用氫氣輸配系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)行業(yè)團(tuán)體已經(jīng)啟動(dòng)編制或征求意見中。相信2022年即將會(huì)陸續(xù)出臺(tái)一些可依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2 大規(guī)模遠(yuǎn)距離天然氣管道摻氫輸送條件

根據(jù)目前的調(diào)查研究[6]，利用現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生氫脆等問題。為了保證安全，可分別對(duì)不同鋼級(jí)管線進(jìn)行氫脆的驗(yàn)證。然后在后期研究?jī)?yōu)化輸氣管線工藝時(shí)，通過先進(jìn)技術(shù)不斷升級(jí)換擋。根據(jù)供應(yīng)陜西省天然氣的氣田氣質(zhì)和管網(wǎng)布局情況，進(jìn)一步細(xì)化天然氣輸送摻氫比例，或單獨(dú)低壓氫輸送，在保證管道的安全運(yùn)行下不斷擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)景。

1)陜西省強(qiáng)勢(shì)推動(dòng)，政策即將配套出臺(tái)，支持力度空前

陜西省作為能源生產(chǎn)和消耗大省，“十四五”時(shí)期全省能耗強(qiáng)度要求下降13.5%，二氧化碳排放強(qiáng)度要求下降18%，因此實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)壓力大，綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)任務(wù)重。陜西作為能源大省，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)具有豐富的資源優(yōu)勢(shì)、完善的產(chǎn)業(yè)配套、獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景和雄厚的科教基礎(chǔ)。支持和推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可以有效支撐全省“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，打造新的綠色經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極。2021年3月1日起施行的《西部地區(qū)鼓勵(lì)類產(chǎn)業(yè)目錄(2020年本)》，鼓勵(lì)陜西省發(fā)展氫能新能源的發(fā)展。

2021年第二屆西部氫都?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇，以“助力雙碳目標(biāo)落實(shí)，探索氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展”為主題，于4月25日在西安隆重舉行。與會(huì)單位和專家們也在呼吁陜西須加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，出臺(tái)相應(yīng)的支持政策。

據(jù)悉，陜西省正在根據(jù)國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的最新部署安排，研究出臺(tái)《陜西省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，全面推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，支持陜北、關(guān)中部分地區(qū)建設(shè)規(guī)?；碑a(chǎn)氫純化項(xiàng)目，同時(shí)，也在研究出臺(tái)促進(jìn)建設(shè)加氫站和示范項(xiàng)目的運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼、準(zhǔn)入、財(cái)稅、獎(jiǎng)勵(lì)等配套政策。

2)陜西省氫氣資源豐富、廉價(jià)

陜西作為能源大省，可為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供豐富、廉價(jià)的氫源保障。據(jù)網(wǎng)上公開信息報(bào)道，陜西省化工副產(chǎn)氫超200萬(wàn)t/a，其中高品質(zhì)副產(chǎn)氫(氫體積分?jǐn)?shù)65%以上)約20萬(wàn)t/a，副產(chǎn)氫成本約8～10元/kg，兩百公里內(nèi)終端用氫成本低于35元/kg。陜西省也具有發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)的豐富資源基礎(chǔ)，按照規(guī)劃，“十四五”期間可再生能源裝機(jī)將達(dá)到6500萬(wàn)kW，基本形成以風(fēng)電、光伏儲(chǔ)能、氫能等為主的可再生能源產(chǎn)業(yè)集群。另外,根據(jù)《中國(guó)化工報(bào)》2020年1月23日?qǐng)?bào)道：榆林地區(qū)煤化工制氫成本低廉，以蘭炭尾氣經(jīng)PSA提氫為例，氫氣生產(chǎn)成本僅0.68元/m3?！坝芰肿鳛閲?guó)家級(jí)能源化工基地和新能源示范城市，具有豐富的氫資源，氫產(chǎn)量至少達(dá)180萬(wàn)t/a，其中年產(chǎn)5000萬(wàn)噸的蘭炭尾氣含氫量130萬(wàn)噸以上，化工副產(chǎn)氫20萬(wàn)噸以上，利用風(fēng)(光)電和電解煤礦疏干水可制備氫30萬(wàn)噸，但目前榆林的氫氣沒有得到高值化有效利用”。

3)陜西省天然氣輸送管網(wǎng)布局完善，應(yīng)用消納規(guī)模大

陜北作為重要的能源供應(yīng)基地，承擔(dān)向京津冀等地的天然氣供應(yīng)和“北氣南輸”至各地的天然氣供應(yīng)。目前，陜西省已經(jīng)形成了有著6家天然氣長(zhǎng)輸管道企業(yè)、4000多公里高壓長(zhǎng)輸管道、數(shù)萬(wàn)公里城市中壓燃?xì)夤艿?、縣縣通天然氣的市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模，同時(shí)擁有著各類CNG/LNG加氣站600余座，能夠消納吸收大量的氫氣。

其中：①國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)所轄的陜京天然氣管道系統(tǒng)和榆濟(jì)管網(wǎng)作為天然氣“全國(guó)一張網(wǎng)”的重要組成部分，設(shè)計(jì)年管輸能力已達(dá)1000億m3，供氣范圍覆蓋華北等7省一自治區(qū)多市。②陜西省天然氣股份有限公司是國(guó)內(nèi)專業(yè)的長(zhǎng)輸管網(wǎng)省屬天然氣公司之一，主要負(fù)責(zé)陜西全省天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和管理，建成投運(yùn)長(zhǎng)輸管道47條，管網(wǎng)總里程達(dá) 3769 km，年輸氣能力165億m3，形成了全省絕大部分地區(qū)雙管道供給,關(guān)中區(qū)域環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的全省“一張網(wǎng)”綠色資源輸配網(wǎng)絡(luò)。

綜上，陜西省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常優(yōu)越的基礎(chǔ)條件和產(chǎn)業(yè)政策需求，完全可以集陜西延長(zhǎng)石油等專業(yè)化天然氣企業(yè)的長(zhǎng)輸、支線管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施完善，管道運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)豐富、全省廣闊的市場(chǎng)用戶等一體化能力。因此，陜西省積極開展天然氣管道摻氫輸送技術(shù)研究和示范應(yīng)用，具有重要的推廣價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。若能利用現(xiàn)有省內(nèi)和過境長(zhǎng)輸管道摻氫輸送，不僅可低成本實(shí)現(xiàn)氫氣大范圍、長(zhǎng)距離輸送，更有力地促進(jìn)陜北地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其是可再生能源制氫的發(fā)展，為氫能產(chǎn)業(yè)提供綠色低廉的氫氣，并對(duì)實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型升級(jí)具有更為重要的意義。

3 天然氣摻氫輸送應(yīng)用方向展望

隨著全球能源危機(jī)和碳排放的限制，同時(shí)，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，根據(jù)專家團(tuán)隊(duì)的研究[7-8]，在天然氣管道摻氫一定比例范圍內(nèi)，可在民用、交通、發(fā)電等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)合陜西省的有利條件，利用現(xiàn)有天然氣的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，可以預(yù)見天然氣摻氫輸送應(yīng)用方向場(chǎng)景。

1)方向一：天然氣摻氫直接供應(yīng)終端用戶

陜西省有著規(guī)模大和應(yīng)用廣泛的各類天然氣用戶，天然氣需求逐年增長(zhǎng)，每年冬季采暖季供應(yīng)指標(biāo)短缺成為了焦點(diǎn)，采暖季天然氣保供壓力巨大。通過各地市城市門站后的天然氣城市輸配管網(wǎng)(主要為PE管道或壓力小于 1.6 MPa 的碳鋼管道)可直接向用戶輸送摻氫天然氣。天然氣管道摻氫使用具備規(guī)?；瘍?yōu)勢(shì)，等熱值計(jì)量后可降低終端用氣價(jià)格，其經(jīng)濟(jì)性也會(huì)相應(yīng)得到提升，某種程度也有利于緩解天然氣保供壓力。結(jié)合化工副產(chǎn)氫氣生產(chǎn)成本和中石油以及延長(zhǎng)石油等上游供氣企業(yè)對(duì)非居民用氣門站價(jià)格情況，以及現(xiàn)行的供氣銷售合同模式，具備商業(yè)價(jià)值。

2)方向二：CNG加氣站轉(zhuǎn)型HCNG合建站

在國(guó)家大力提倡新能源汽車的發(fā)展形勢(shì)下，城市出租車、公交車等CNG市場(chǎng)主要用戶發(fā)展已趨于飽和過剩，全國(guó)各地均已陸續(xù)開展以電動(dòng)汽車替代天然氣汽車的行動(dòng)，CNG車用氣市場(chǎng)面臨全面萎縮，對(duì)已建的單一CNG加氣站將面臨著巨大的虧損壓力，因此經(jīng)營(yíng)企業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型意愿強(qiáng)烈。根據(jù)清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)：在CNG汽車燃料中摻氫可以增加燃料性能和穩(wěn)定性，當(dāng)摻氫比為20%時(shí)效果最佳[9]。因此，陜西可以利用現(xiàn)有CNG加氣站的土地設(shè)施和客戶源優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)型布局HCNG 合建站。

3)方向三：管網(wǎng)終端分離制氫擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)

近兩年來(lái)，隨著氫氣氣源、燃料電池和加氫站主要設(shè)備成本的下降，以陜汽為首的氫燃料電池汽車的發(fā)展進(jìn)入快車道。加氫站的經(jīng)營(yíng)與管理模式與天然氣加氣站有著極高的相似性，借陜西省有著眾多的油氣站和長(zhǎng)期的經(jīng)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)型加氫站運(yùn)營(yíng)的路徑也較為順滑。終端分離提純或制氫改建加氫合建站，全面升級(jí)換代服務(wù)于交通領(lǐng)域的氫燃料電池車和拓展多個(gè)行業(yè)應(yīng)用。

在加氫站中建設(shè)一個(gè)小型的氫氣轉(zhuǎn)換裝置，將天然氣摻氫的氫氣進(jìn)行分離或以小型撬裝天然氣制氫設(shè)備制氫，會(huì)順利掀開加氫站和終端用氫快速發(fā)展的大門，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和朝著多個(gè)市場(chǎng)行業(yè)的涉及。

4)方向四：長(zhǎng)輸管網(wǎng)區(qū)域性分離液化制氫

2021年5月，我國(guó)出臺(tái)了《氫能汽車用燃料液氫》《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運(yùn)輸技術(shù)要求》三項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，于11月1日起實(shí)施。上述標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)液氫產(chǎn)業(yè)民用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)“零”突破，為液氫產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)化發(fā)展提供了重要支撐。

陜西省地域南北長(zhǎng)、東西窄，周邊與8個(gè)省市接壤，是鄰接省區(qū)數(shù)量最多的省份，具有承東啟西、連接西部的區(qū)位之便。充分利用陜西已建成LNG液化工廠的有利條件，若能發(fā)展實(shí)施終端液化分離制氫技術(shù)，把氫能作為一種應(yīng)急儲(chǔ)備能源或者大型儲(chǔ)運(yùn)基地，分裝后可向周邊不具備管網(wǎng)輸送條件的任一區(qū)域以液化/壓縮槽車方式運(yùn)輸，將會(huì)使氫的使用更加便捷和靈活。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然受國(guó)內(nèi)摻氫輸送技術(shù)和氫氣分離成本高等因素影響，目前還未實(shí)施有天然氣管道摻氫輸送后再分離使用的示范項(xiàng)目。但隨著國(guó)內(nèi)外摻氫分離技術(shù)的成熟，陸續(xù)出臺(tái)的《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》和《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施為大力發(fā)展加氫站提供了有利統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。車用能源向電氣化、氫能化轉(zhuǎn)型已成為一種必然趨勢(shì)。對(duì)于現(xiàn)有CNG經(jīng)營(yíng)企業(yè)而言，現(xiàn)階段應(yīng)該把握車用能源市場(chǎng)動(dòng)向，積極進(jìn)行場(chǎng)站設(shè)備設(shè)施改造，利用現(xiàn)有加氣站的土地設(shè)施和客戶源優(yōu)勢(shì)，以HCNG 合建站或綜合能源站的形式走向加氫市場(chǎng)，有效降低初期投資成本和土地審批取證的難度，也可在近階段通過“以氣養(yǎng)氫”的模式，解決加氫站短期經(jīng)濟(jì)效應(yīng)不足的問題。

綜上，以陜西省為例，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具備大規(guī)模遠(yuǎn)距離天然氣管道摻氫輸送的條件。陜西省應(yīng)集已有企業(yè)、高校等科技技術(shù)人才，積極爭(zhēng)取老舊燃?xì)夤芫W(wǎng)改造項(xiàng)目資金支持的有利政策，以突破并掌握天然氣長(zhǎng)輸管道改造摻氫，并以實(shí)現(xiàn)終端分離提純或制氫等核心技術(shù)為目標(biāo)，集中力量開展研究和測(cè)試工作。同時(shí)，提高多樣化利用水平，在具備條件的陜北、關(guān)中地區(qū)率先開展天然氣摻氫混燒領(lǐng)域和終端交通運(yùn)輸領(lǐng)域的示范應(yīng)用，有利于促進(jìn)氫能規(guī)模消納，為推動(dòng)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和增長(zhǎng)提供有利的基礎(chǔ)條件。