近日，英國首個天然氣摻氫比例達到20%(體積百分比)的示范項目投入運行，據悉，本項目第一階段通過斯塔福德郡基爾大學自有天然氣網絡摻氫并向100戶家庭和30座教學樓供氣。測試成功后，該項目還將在英國東北部和西北部天然氣網絡中進行更大范圍和規模的測試。
事實上，我國吉林省白城市、四川省成都市等地氫能產業發展規劃中也都提到了天然氣摻氫。天然氣混合氫氣一直是國內外氫氣運輸和規模化利用的重要研究方向，對促進我國氫能產業發展具有更為重要的意義。
對此，國發能研院、綠能智庫認為：一方面，我國天然氣需求持續上升，2019年對外依存度高達44%，氫氣替代部分天然氣燃燒提供熱能和電能，有利于緩解天然氣供應壓力，提升我國能源安全水平;另一方面，若能充分利用現有西氣東輸、川氣東輸等逾8萬公里天然氣主干管網和龐大的支線管網摻氫運輸，不僅可低成本實現氫氣大范圍輸運，更有力地促進西部可再生能源制氫的發展，為氫能產業提供綠色低廉的氫氣，并對實現我國能源結構轉型意義重大。
天然氣摻氫是氫能研究熱點
截止2019年年初，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。
國發能研院、綠能智庫梳理發現，氫能運輸是制約氫能產業發展的薄弱環節，經濟性和安全性都有待完善。而氫能利用目前主要聚焦在交通領域，特別是氫燃料電池汽車極其配套設施，在工業和建筑領域仍缺乏成熟的應用場景和商業模式。天然氣網絡摻氫是解決上述問題的有效方案，近年來一直是國外研究和測試的熱點。
按照國內目前不足5000輛示范運行的氫燃料電池公交車、客車和物流車來估算，年用氫量不超過2萬噸;2025年，按照中國氫能聯盟預測的5萬輛用車規模估算，用氫量也不到20萬噸。而據IEA測算，2018年全球天然氣需求達3.9萬億立方米，其中摻氫3%(體積分數)就可拉動1200萬噸氫氣消納，若氫氣主要來自電解槽，電解槽裝機容量需求可達100GW，這會使電解槽投資成本降低50%，有效降低低碳氫氣制備成本，而摻氫的成本僅會略微增加0.3美元-0.4美元/kg。
天然氣摻氫仍面臨挑戰
相同工況下摻氫降低天然氣網絡輸送能量。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。
天然氣管網中摻氫比例受到的限制多。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%。
圖1 天然氣價值鏈各環節允許的最大摻氫比例(來源：IEA)
更大的挑戰來自安全性及對應的檢測和管理體系的完善。
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。
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。在一些相關設備的規格方面也存在限制，歐洲標準規定燃氣輪機所供天然氣的氫含量必須低于1%。
圖2 部分國家和地區允許的最大摻氫比例(來源：IEA)
*如果沒有連接到該網絡的壓縮天然氣加氣站，則德國適用更高的限額;荷蘭的上限適用于高熱量氣體;當管道壓力大于16bar時，立陶宛適用更高的極限。
天然氣主干管道摻氫運輸有待時日
主干管網可實現天然氣遠距離大規模輸送，在我國與可再生能源的分布和輸送方向高度吻合，通過天然氣主干網輸送氫氣在多個方面具有重大意義，但目前尚不具備條件。
我國對該領域研究有所欠缺。在“十一五”、“十二五”、“十三五”涉氫科技攻關項目和2019年科技部“可再生能源與氫能技術”重點專項所列的9個與氫能相關的項目，均無天然氣摻氫的研究。
主干管網輸送壓力較高，我國西氣東輸三線輸送壓力就達12MPa，較高壓力下氫氣對管道材料的影響變大。而天然氣成分不同、管道材料不同、管道工況不同，都使氫對管網材料的影響程度存在差異，國際上的研究成果不宜直接照搬，摻氫天然氣主干管網安全摻氫比例標準尚無法確定。諸如管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗、摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題等基礎研究工作需扎實推進。
另外，將氫混合到天然氣中運輸，如果需要在最終使用地點將氫分離(目前終端利用方式都需要此操作)，會增加較高的成本，以變壓吸附為例，根據混合水平和最終使用需求，有研究數據表明其成本在3美元-6美元/kg。
國發能研院、綠能智庫認為，盡管仍有較長的路要走，但我國天然氣管網建設十四五期間將有相當大空間，新增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。在管材選擇上加強對氫脆現象的防護處理，加強對管道損傷、裂縫的探查和處理。對管道的焊縫要提出更高的要求，使其對氫脆現象有更強的防護能力。
圖3 我國天然氣各年干線管網總里程
摻氫天然氣混燒應率先推廣
在天然氣終端消費分類中，城市燃氣和工業用氣占據七成以上，且呈現較快上升趨勢，這為摻氫天然氣直接混燒創造了有利條件。
圖4 我國天然氣消費各領域分類(來源：中國石化)
天然氣配送管道通常以1MPa以下的較低壓力輸送到終端使用設備，有研究發現，我國配送管網受氫損傷風險低，摻氫可行性更高。
天然氣配送管網范圍更靈活，運送形式更多樣，局部摻氫可行性高，便于分期進行測試，便于安全管理和風險控制。
而終端設備對摻氫天然氣中氫氣體積分數也有更高的接受程度，控制在23%摻氫比例可使灶具正常工作，而荷蘭Ameland項目混合30%的氫未發現對家庭設備造成影響，包括鍋爐、燃氣灶和烹飪用具。
2019年9月，作為國內首個電解制氫摻入天然氣項目，國家電投集團公司朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程圓滿完工。該項目采用集裝箱式貨車運送高壓氫瓶，在使用單位通過摻混設施實現天然氣摻氫示范燃燒。在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、可靠性和穩定性進行了驗證。
在交通領域推廣天然氣摻氫燃料也具備較好的實現條件。據中國石化數據顯示，LNG重卡2019年上半年銷量同比增長3.1倍，累計銷售8.5萬輛，2020年預計天然氣汽車保有量將超過700萬輛。研究表明，在天然氣中摻混20%的氫氣，天然氣汽車和加氣設施改動小，發動機熱效率可提高15%，經濟性提高8%，污染物排放降低60%~80%。據報道，四川省將開展天然氣摻氫汽車示范，推動氫能產業快速發展。
國發能研院、綠能智庫認為，天然氣摻氫仍是有效輸送和利用氫氣的重要方式，我國現階段應集中力量開展研究和測試工作，同時提高多樣化利用水平，在具備條件的地區率先開展天然氣摻氫混燒領域的示范應用，有利于促進氫能規模消納，推動氫能產業健康發展。
