天然氣摻氫20年試驗 全球3大權(quán)威報告給出了5點結(jié)論

天然氣摻氫相關(guān)應(yīng)用技術(shù)在2000年之后開始被深入研究。其中有部分研究成果被公開。香橙會研究院選取全球有代表性的三份研究報告，幫助中國行業(yè)揭開天然氣摻氫應(yīng)用性質(zhì)的面紗。

（來源：微信公眾號“香橙會研究院” ID：xch-club 作者：張宇）

3份報告介紹

報告一：2002-2006年的Naturalhy項目報告

Naturalhy是一個綜合項目，該項目由歐盟委員會通過第六框架計劃（2002-2006）共同資助。Naturalhy認為“將氫作為一種現(xiàn)實的能源選擇迫在眉睫，必須在現(xiàn)有廣泛的天然氣系統(tǒng)范圍內(nèi)采取切實可行的策略。這是在未來30至50年內(nèi)在歐洲大規(guī)模推廣氫氣的唯一現(xiàn)實解決方案。”本次項目的直接目的為：發(fā)現(xiàn)并解決將氫氣逐步引入天然氣網(wǎng)絡(luò)的障礙。

細分目標可以歸納為以下四個方面：

1、經(jīng)濟方面，分析過渡性天然氣/氫氣系統(tǒng)的社會經(jīng)濟影響，并將其與當前的天然氣及相關(guān)系統(tǒng)進行比較，特別是在創(chuàng)造就業(yè)機會、維護、資本投資和總經(jīng)濟成本方面。

2、技術(shù)方面，對使用氫技術(shù)過程中的安全性，耐用性和管道完整性的問題將進行調(diào)查并開發(fā)出新的設(shè)備。具體的聚焦點為爆炸、老化與修理。

3、法規(guī)方面，評估有關(guān)氫氣/天然氣混合物的標準和法規(guī)的現(xiàn)狀，并確定必要的修改并啟動所需的更改。

4、決策方面，開發(fā)決策支持工具，以評估現(xiàn)有天然氣系統(tǒng)（傳輸，存儲，分配，最終用戶基礎(chǔ)設(shè)施和最終用戶設(shè)備）對氫氣/天然氣混合物的適用性，并開發(fā)模型以確定經(jīng)濟性。

項目團隊由39個合作伙伴組成的國際財團，由NV Nederlandse Gasunie統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。Gasunie成立于1963年，是荷蘭的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和運輸公司。

由于Naturalhy項目具體的試驗場所，手段，具體試驗參數(shù)披露較少，并且關(guān)于結(jié)論方面的信息披露的也較為零散和專業(yè)，在本文中先不對該項目具體的試驗數(shù)據(jù)做深入討論，只對部分主要結(jié)論做展示。關(guān)于經(jīng)濟性方面，Naturalhy評估了通過富氫天然氣撬動氫能產(chǎn)業(yè)鏈的可行性。關(guān)于技術(shù)方面，Naturalhy主要披露了天然氣管道的修理方法、爆炸情況。

報告二：2008-2011年Sustainable Ameland項目報告

該項目第一次長時間測試了天然氣摻氫的家用性能。

該項目選擇了風景秀麗的旅游小鎮(zhèn)Ameland Nes，通過用同樣材料建設(shè)通富氫天然氣的管道和用來對比的通純天然氣的管道，以此來研究富氫天然氣對管道的影響。項目第一年采用外運瓶裝的氫氣進行混合，此后三年的氫氣來源為試驗地附近的太陽能發(fā)電制氫。

報告三：2013年美國國家可再生能源實驗室（NREL）發(fā)布的《天然氣管道混入氫的關(guān)鍵技術(shù)報告》

該報告為綜述性報告，總結(jié)了美國本土天然氣摻氫研究成果，并且也結(jié)合了全球其它重要的研究成果。該報告由天然氣技術(shù)研究院(GTI)完成，主要提供給NREL。項目也由“美國能源部的燃料電池技術(shù)項目”資助。該報告的完成得到了H2Pump LLC，NaturalHy項目，AP公司，Power & Energy Inc和CB&I Lummus Technology的支持。

本篇報告的數(shù)據(jù)主要來源于：NaturalHy報告，CTC（Concurrent Technologies Corp. PA, US）報告，IEA溫室氣體研究項目中的報告，以及美國機械工程師協(xié)會，美國天然氣基金會，美國石油協(xié)會，Hydrogenics公司，通用汽車公司，Directed Technologies, Inc，Radian International LLC，美國環(huán)境保護局，美國能源信息管理局，日本能源經(jīng)濟研究所，歐洲工業(yè)氣體協(xié)會，荷蘭GASTEC科技公司，荷蘭EET項目等研究成果。香橙會研究院從上述三個報告中，提煉出凝練出經(jīng)濟社會意義、使用安全與管道耐久性以及終端家用情況三大方面結(jié)論分享給讀者。

1.HCNG是打開氫能社會的一把金鑰匙

由于可再生能源的波段性，區(qū)域局限性，其大規(guī)模使用不得不依賴高效并且靈活的能量存儲載體。同樣的能量，如果采用鹽穴儲氫，其成本比鋰離子電池存儲電能成本低100倍。而如果重新利用天然氣管道運輸氫，其能力為電網(wǎng)輸送能力的效率高至少10倍（數(shù)據(jù)來源：歐洲2×40GW項目計劃）。然而由于下游缺乏對氫氣的應(yīng)用場景，且應(yīng)用端投資較大，上游便無法大規(guī)模生產(chǎn)氫氣，而這又導(dǎo)致了氫氣價格居高不下，下游的應(yīng)用則更難推廣。

天然氣摻氫HCNG（hydrogen compressed natural gas）也被稱為Hythan（hydrogen-methane-mixture）。由于其有潛力直接利用天然氣管道，投資少，可以直接接觸到廣泛的消費者，產(chǎn)生經(jīng)濟效益迅速，并且可以允許一部分的氫含量波動（此特點與可再生能源制氫具有間歇性的特點契合），因此被認為是撬動氫能產(chǎn)業(yè)鏈，解決氫能全產(chǎn)業(yè)面臨的“先有雞還是現(xiàn)有蛋”問題的金鑰匙。

2.氫氣與天然氣基本性質(zhì)比較

首先，從氫和天然氣的基本參數(shù)對比（表1）可以看出：1、燃燒能量方面：氫氣密度較低，但單位質(zhì)量的燃燒熱遠大于天然氣（氫約144MJ/kg，天然氣為47.5MJ/kg）。2、燃燒性質(zhì)方面：氫更容易點燃且其火焰速率要遠快于天然氣。3、安全性方面：雖然氫在PE管道和鐵制管道中的擴散系數(shù)遠高于天然氣5倍左右（表1，2），容易造成泄露，但是其在空氣中的擴散系數(shù)也遠大于天然氣，這樣便不易造成擴散后的聚集，從而降低了危險性。

表1.天然氣與氫基本參數(shù)對比（標準大氣壓下）

表2. 氫在塑料管的氫和甲烷的滲透系數(shù)（單位10-3×ft3-mil/ft/day/psig）

資料來源：NREL

3.氫脆與泄露不是攔路虎

許多鋼都容易發(fā)生氫脆（如圖1），即材料接觸氫時，在低于屈服強度的持續(xù)載荷下發(fā)生脆性斷裂。氫濃度和操作壓力是導(dǎo)致氫脆的最關(guān)鍵因素。而如果是使用低強度鋼的管道，其主要的氫損傷是拉伸延性的喪失或起泡，但通常在氫環(huán)境下以延性斷裂而非災(zāi)難性脆性斷裂。氫損傷的嚴重程度在很大程度上取決于氫濃度和操作壓力。

在中低壓力（290 psig（20 bar））管道系統(tǒng)中，由于管道運行抗拉強度相對于設(shè)計強度較低，因此對氫增強裂紋增長的影響要小得多。在全世界范圍內(nèi)，在壓力低于290 psig （20 bar）的情況下成功運輸純氫已有很長的歷史，在過去的幾十年里沒有出現(xiàn)操作問題。

資料來源：NREL

圖1. 氫脆過程

對于其他金屬管道，包括球墨鑄鐵、鑄鐵和鍛鐵以及銅管道，在天然氣運輸系統(tǒng)的一般操作條件下，不需要擔心氫損傷。關(guān)于氫老化對聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）管道材料的影響，也沒有大的擔憂。大多數(shù)用于天然氣管道系統(tǒng)的彈性體材料也可與氫相兼容。

4.安全性綜合評估

此處根據(jù)天然氣管道的不同模塊，分開討論HCNG在其中的安全性能。參照美國國家可再生能源實驗室技術(shù)報告對天然氣管道的分類，天然氣管道可以分為：收集段線路、主干道傳輸線路、主支線傳輸線路和終端服務(wù)分配傳輸線路四大模塊（如圖2）。各環(huán)節(jié)所用材料等在不同地區(qū)都會有所不同，具體情況還應(yīng)具體處理。此處給出披露的研究結(jié)論作為參考。

資料來源：NREL

圖2.包含收集線路、輸配主干線、分配主線和分配服務(wù)線的天然氣供應(yīng)鏈

在管道的非爆炸安全性質(zhì)方面，我們引用美國國家實驗室披露的關(guān)于分配主線和終端分配服務(wù)線的結(jié)論。此處安全等級被分為“嚴重”“比較嚴重”“一般”“較低”“低”“無”六個等級，表3。

分配系統(tǒng)和輸配主干線之間的一個重要區(qū)別是相對于人口密集地區(qū)的位置。在人口稠密的地區(qū)，輸氣管道中可接受的氫氣含量需要來自火災(zāi)或爆炸的頻率和嚴重程度更多元的評估。此外，在分配系統(tǒng)中由氣體泄漏引起的危害可能比在傳輸管道中更嚴重，特別是在封閉的服務(wù)區(qū)（表4，5）。在氫服務(wù)系統(tǒng)下，分配系統(tǒng)的完整性管理可能需要檢漏裝置或監(jiān)測裝置或傳感器。含氫的傳輸系統(tǒng)的維護費用可能會增加，因為這些系統(tǒng)需要更頻繁地檢查，可能需要額外的泄漏檢測系統(tǒng)。

研究結(jié)果表明，隨著氫氣含量的增加，分配服務(wù)線的事故嚴重程度略高于分配干線。這當中重要的區(qū)別來自于：位于應(yīng)用終端的服務(wù)管道通常位于密閉空間中，泄漏氣體更容易積聚。

當氫氣濃度大于50%時，分配干線和分配服務(wù)線的事故總體嚴重風險都有一個比較大的上升。因此控制氫含量低于50%將有小減小整體風險。

表3. 天然氣輸送系統(tǒng)的危害等級與對應(yīng)數(shù)值表

4.天然氣管道分配主線中各類事故對應(yīng)的發(fā)生概率以及含不同比例氫氣時的嚴重情況

資料來源：NREL

表5.天然氣管道分配服務(wù)線中各類事故對應(yīng)的發(fā)生概率以及含不同比例氫氣時的嚴重情況

資料來源：NREL

除了上述風險外，HCNG發(fā)生爆炸的風險也被評估。圖2描述了70 bar壓力，914mm 直徑傳輸管道在不同HCNG氫氣含量的情況下，發(fā)生爆炸，出現(xiàn)人員死亡的可能性曲線圖?？梢娙司嚯x管道超過400米絕對安全。圖3則描述了不同管徑大小發(fā)生爆炸而每年造成人員死亡的可能性。

值得注意的是，在圖中研究的這些情況下，純天然氣的殺傷范圍會更大，但是近距離的殺傷力較低。這里重要的原因是氫混合物的更快速的分散，這導(dǎo)致在更短的距離內(nèi)濃度更低，因此在危險距離的遠端降低了風險。雖然濃度整體較低，但是由于氫混合物的能量密度較高，距離爆炸點非常近的危險性比純天然氣高。

資料來源：Naturalhy

圖3. 個人每年的風險是與管道距離的函數(shù)

顯示的風險是個體風險:一個人在某一年成為死亡的可能性。

資料來源：Naturalhy

圖4.向天然氣管道中添加氫氣每年給個人帶來的風險

顯示的風險是個體風險:一個人在某一年成為死亡的可能性。

5.家用端使用情況及示范運行方法簡述

上文美國國家實驗室報告總結(jié)了氫在管道中運輸?shù)那闆r。為家用供火的實用研究也已經(jīng)完成，此處以荷蘭Nes小鎮(zhèn)項目為代表。其結(jié)果顯示在通入不到20%氫氣的情況下，使用的任何環(huán)節(jié)都沒有發(fā)現(xiàn)問題。

荷蘭瓦登海島阿默蘭島上的小鎮(zhèn)Nes上進行的HCNG家用項目是一項為期4年（2008-2011）的實地測試項目。該項目在向當?shù)毓?yīng)14套公寓的天然氣分銷網(wǎng)絡(luò)中添加了5-20%的氫氣（圖5，表6）。

資料來源：IGRC 2011報告

圖5.氫氣比例（%，周均比例）

表6. HCNG中氫氣的比例（%，年均比例）資料來源：IGRC 2011報告

介于本次示范項目意義較大，且官方披露了較為詳細的示范運營方法，在此我們對本次運營的方法進行簡述：

首先、該項目選擇了一個好的地點：埃姆蘭島。埃姆蘭島有幾個比較獨特的優(yōu)勢：1、公寓位于城鎮(zhèn)的外圍，能夠控制燃氣網(wǎng)絡(luò)的隔離，并為氫供應(yīng)和混合提供空間。2、是一個著名的旅游景點。每年約有50萬來自世界各地的游客，有非常好的社會效益。

第二、該項目構(gòu)建了一個防止事故的安全體系。1、此地的天然氣調(diào)壓站、低壓裝置、爆炸安全、分區(qū)、通風、防雷和防火等標準得到檢查。2、氫氣天然氣攪拌機的安裝、煤氣柵和家用煤氣的安裝都經(jīng)過廣泛的維修和檢查。3、這些公寓配備了安全傳感器，用于檢測煤氣泄漏和一氧化碳。4、對雇員、居民和當?shù)叵狸犨M行了有關(guān)氫氣特性和控制的培訓。

第三、具備及時切斷氫氣供應(yīng)的能力。一旦出現(xiàn)電力故障或氫氣供應(yīng)故障，氫氣注入就會停止，而天然氣注入則會繼續(xù)進行。

第四、從簡單到復(fù)雜的摻氫過程。2007年12月到2018年12月，HCNG中的氫氣來自于氫氣瓶。2008年12月之后氫供應(yīng)從氫瓶轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場電解生產(chǎn)。氫氣發(fā)電所需的電力來自附近的“知識與創(chuàng)新中心”新大樓的太陽能電池板。

第五、除了測試網(wǎng)絡(luò)，還增加了參考網(wǎng)絡(luò)。這些類似的網(wǎng)格只是為了這個項目而建造的。網(wǎng)格是由同一批零件組成的。網(wǎng)格包含用于測試的干線、接頭、服務(wù)省長和煤氣表的不同材料。所選組件通常用于荷蘭的燃氣管道。

第六、參與測試的烹飪器是全新的并且具提前進行了測試。在此之前，所有的燃氣器具都通過測試含30%氫氣的氣體來進行安全測試。這10%的安全余量用于克服攪拌器的動態(tài)特性（超調(diào)）。新的烹飪器具和鍋爐被安裝，因為現(xiàn)有的器具的壽命幾乎到了盡頭。

第七、調(diào)研最終用戶的意見并積極推廣。問卷定期在“Noorderlicht”小區(qū)居民中發(fā)放。國家地理頻道的“綠色夢想?yún)^(qū)”電視節(jié)目讓小學生和高中生了解了氫經(jīng)濟的重要性。此步驟保證了群眾基礎(chǔ)。該項目的最終結(jié)果顯示，四年之后：測試段的被檢測管道材料的最重要的性能在暴露于富氫天然氣沒有顯示出任何影響；沒有嚴重的泄露和滲透高的情況出現(xiàn)，也沒有因此導(dǎo)致任何安全問題；沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關(guān)的管道材料缺陷。除了管材本身，接頭和配件，如如橡膠軟管、調(diào)控器、煤氣表都沒有表現(xiàn)出不良影響。

在鍋爐器具的點火、回火、泄露、火焰穩(wěn)定性試驗同樣全部通過標準測試。

鍋爐控制單元的存儲器被讀出。沒有氫相關(guān)的故障記錄。目視檢查包括燃燒器、點火裝置、火焰電離檢測器、熱交換器、氣閥、冷凝水排放、配件和密封件，沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關(guān)的缺陷或污染。

總結(jié)

美國國家可再生實驗室對天然氣摻氫在管道中的研究進行了總結(jié)，概述了不同壓力、不同氫氣含量對應(yīng)不同管材的影響。這對實際中控制HCNG的應(yīng)用風險以及后續(xù)HCNG研究思路都起到了重要的指導(dǎo)作用。終端端方面，荷蘭Nes小鎮(zhèn)項目在四年時間中沒有出現(xiàn)任何因為氫加入到天然氣管道后引起的異常。該項目所在地Nes也是一個旅游勝地，此項目也得到了廣泛社會傳播。

從國際領(lǐng)先的動態(tài)來看，目前所缺乏的是HCNG在工業(yè)中的應(yīng)用研究，以及接近商業(yè)推廣的摸索。

由于HCNG具備投資成本低，接觸終端客戶多，經(jīng)濟效益產(chǎn)生快，并且可以允許一定范圍的氫含量波動的特點，其示技術(shù)方面的問題解決后，相信商業(yè)化推廣會相對容易。其很有可能成為較早產(chǎn)生商業(yè)價值的氫能領(lǐng)域。