朱兴珊：天然气掺氢一种低碳发展的重要途径

编者按：12月7日，由中国能源研究会分布式能源专业委员会、中国能源网主办，中华环保联合会支持，国际环保机构绿色和平承办的《分布式可再生能源助力乡村振兴和新型城镇化建设》线上研讨会顺利召开。会上，中石油集团发展计划部副总经济师朱兴珊做了主题为《天然气掺氢一种低碳发展的重要途径》的报告。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

朱兴珊：我今天分享的题目是天然气掺氢一种低碳发展的主要路径。

分三个方面。首先介绍一下总体的概况。氢能已经成为全球公认的促进能源转型和低碳发展的关键能源，欧美和日韩等国家已经将氢能作为能源体系脱碳的重要组成和绿色经济复苏的新引擎，纷纷制定了国家氢能战略和发展路线图。我们国家也制定了一个氢能发展中长期规划，明确了底层设计，将氢能作为国家未来体系的重要组成部分，根据不同的机构预测2050年全球氢能的需求占比从12%-22%不等，各家的观点不一致，至少是12%，欧盟比例高一点，占了24%。

大家知道二十大提出了新型能源体系，我们认为氢能是我国建设新型能源体系的重要载体，为什么这么说?就是因为氢能它是可以灵活的进行能量转化，可以耦合热网，电网，可以在燃料和原料之间进行切换，促进多能互补的能源网络的建设，也是未来能源互联网建设的一个重要纽带。关于新型能源体系我们认为它是新型电力体系+现代能源体系的继承和发扬，我觉得新型能源体系仍然强调清洁低碳，安全高效和高比例可再生能源这个特点，这是新型电力系统和新型能源体系的主要特点。

但是对于系统的灵活性支撑我认为它将超越电力系统，在更大范围内或者多能互补进行支撑，特别是原料和燃料之间的切换，充分发挥多种能源的储备功能，储电是成本最高的，其他能源的储存相对容易一点。在这个大系统里面可以更好的解决系统的灵活性和稳定性的问题。我们认为天然气和氢在支撑灵活性里面可以发挥更大的作用，一方面可以储存，另一方面在燃料和原料进行切换，增加灵活性。从应用范围看属于清洁低碳的，广泛应用工业、发电、建筑、交通各个行业，从中国氢能联盟预测看，我们目前关注的大部分交通领域，真正到了2050年，2060年交通领域并不是一个最主要的领域，真正最大的用途还是在工业领域和发电领域。

还有天然气掺氢可以推动天然气和氢能的融合发展，是实现深度脱碳的重要选择。氢气和天然气在产业链上具有相似的环节和特点，在储运环节和发电，建筑工业等应用场景具有大量融合发展的机会，天然气的掺氢技术不仅有助于氢能的储运和利用，有效降低天然气利用的碳排放强度。天然气掺氢之后它的碳排放强度对大大的下降，并且还可以减轻天然气的保供压力，因为把氢掺到天然气里面，增加了供应量，有助于保障国家能源安全。

掺氢应用已经有一定的基础，这张表是我从网上找的，总结下来的，但是不是特别全，大概反映了燃气轮机掺氢的示范项目，在小型燃机基本上掺氢已经比较成熟了，一直到100%的都有，但是大型的燃机现在真正应用的还不多，正在示范的也就是10%左右，可能将来进一步发展，按照这个规划一般到2025年能掺30%左右，2030年掺到100%。

我们国家主要是国电投进行了工作比较多，成功实现了15%的掺氢燃烧改造和运行，计划2020年底开展30%的掺氢燃烧。还有广东能源集团下面的贵州大亚湾石化区的综合能源站，用了GE两台H机组，按照10%的掺氢比例进行混合燃烧，现在正在进行建设，预计2023年投入使用。

从已经成熟的技术来说，比如说GE的航改G机最高掺氢85%，E机100%，F机100%，H机从技术上可以掺50%，但是没有真正运行的项目。从西门子掺氢燃机来看，也是小型燃机能达到100%，有的30%左右，不同的机型都不一样。再就是掺氢管道，我们国家纯氢管道建成还有不少，但是掺氢管道建成的几乎没有，大部分在实验或者示范的阶段。

看看掺氢有什么优势，还有什么挑战。有利于氢气的低成本储运和规模化的利用。氢的储运也是氢产业的痛点，制约氢能规模发展的主要问题，采用天然气掺氢可以用现有的设施，小比例的掺混，或者新建掺氢储运设施，这个比例还可以进一步提高，实现氢能的低成本，大规模的储运，同时可以避免油气储运设施的浪费。从我们能源转型的趋势看，在2030年石油达到高峰，到2040年天然气达到高峰，以后需求是下降的，所以我们建的这个储运设施到了高峰期一部分闲置，如果用氢的储运利用起来，或者在天然气里面掺上氢之后，可以延长这些基础设施的寿命。目前各个国家掺混比例来看已经实现了管道掺氢的，欧盟最多掺12%，示范的项目最多达到30%，德国是5%-10%。

如果我们燃机掺绿氢，可能解决大型新能源基地的绿电消纳问题。大家知道风电和光伏具有波动性，随机性，需要更多的灵活性支撑，我们用掺氢的燃机可以调峰，解决这个问题。再一个是大型的新能源基地的集中布局，缺乏消纳市场，我们大型的新能源机在陕北地区，经济不发达，人口不稠密，这个时候要建特高压运出来，现在特高压的通道也有问题，建设也跟不上节奏，如果我们在本地把它变成绿氢掺到管道里面运输出来，这也是消纳可再生能源很好的途径。

再有我们可以把两个功能结合，发挥大型综合能源基地的风能，太阳能，太阳气资源的组合优势，通过绿电制氢，地下储气库储氢，构建风光气储氢多能互补的系统，解决消纳和灵活性的问题。

有什么挑战?主要现在还是成熟的项目并不多，主要由于缺乏规范和标准体系，对不同掺氢比例的适应性研究不深，如何提高储运和终端设备的掺氢比例研究不够，缺乏相关适应掺氢材料的研发。不同掺氢管道，储罐，压缩机，内燃机，锅炉等终端的用能设备在设计、制造、运行、维护、检测方面标准规范是缺乏的，我们已有的标准，氢的标准多一点，掺氢的标准很少，现在查到只有煤制合成天然气的规范，一类气的氢燃量不超过3.5，二类气不超过5，进入天然气管道里面天然气掺氢不能超过3%，即使在这样规定比较明确的时候，现在我们往常熟管道里面专门掺氢是很难的，管道的运营商是不运行的。没有经过大量的研究和实验，他们不敢做。

再举个例子，燃机掺氢也存在很多技术的瓶颈。因为在掺氢燃烧的技术里面，要考虑氢含量增加导致自燃的风险等等，以及氮氧化物排放增加。在改造方面还要考虑加宽管道改变材料，适应更高氢气的体积流量，需要应对输送压力和温度变化带来的管道和辅助设备清退的风险，考虑氢气的密闭问题。特别是像下面这个图可以看到，氢气和天然气化学性质差别很大，主要清脆，容易泄露，火焰更大，容易回火，氮氧化物随着氢含量的增加也是增加的。

第三部分，思考和建议。这是个人的思考，不是太成熟。一个是我认为好钢用在刀刃上，氢气首先要用来解决可再生能源不稳定性和消纳的问题，应该首先用于风光气储氢大基地和管道的外输。解决无法用电的脱碳领域，比如说远洋运输，要大规模的应用，而不是小打小闹的，应用在工业领域，工业锅炉，冶金等等。

我们把风电气储能大基地这个问题展开讲一下，这张图表达了比较清晰了，比如说油田，油田油气管网，配电网，地下储氢库，天然气资源，这就具备了风光气储能一体化大基地的条件，从电源来说一个是风电光伏，可以用天然气发电。从储能的角度来说可以用压缩空气储能，可以用电化学储能，我们风光气储能一体化大基地就是用调峰气电+掺氢，把电解水的氢掺到地下储气库里面，和天然气混合，从储气库里面采出来，进行调峰发电，或者一部分直接掺混，这样可以解决气电，一个是天然气供应问题，还有碳排放量比较高的问题，如果是油田有需求，可以进行碳捕捉驱油。还有多余的电，电解水可以研究在当地进行利用，在交通领域，分布式能源和工业领域都可以应用。如果当地用不了，还可以利用现有的管道掺氢外输，这是最主要的应用领域。

这种风光气储能大基地的示范作用还是非常强的，一个是助力国家清洁能源产业高地的建设，提升国家电力供应保障能力。推动重型燃机国产化和自主运维，掺氢燃机，燃料电池，燃料电站的核心技术攻关，带动氢能全产业链发展。关于重型燃机，现在天然气燃机和国外比有一定的距离，如果想弯道超车，我们一开始要搞掺氢燃机，跳过纯天然气燃机的阶段，打通天然气绿电CCUS的全产业链，以一体化新能源大基地为基础，促进地方经济发展。

应用场景要用已有的基础设施，这样才会便宜。掺氢管道运输如果我们长距离运输问题解决了，就可以掺到管道里面进行分布式能源了，今天我们这个会主要讲分布式能源，分布式能源现在很难想象用专门的分布式的光伏或者制氢来掺到天然气里面，这种模式经济上划不了。在远方能源大基地有很便宜的氢进来，可以做分布式能源，可以用家庭使用。现在有几个结论，对不对我没有进一步考察，从文献里看当天然气掺氢体积小于10%的时候，使用不高于X52的管道没有什么问题，钢级高于X52的天然气管道要进行实验，这个东西需要研究。

中海油新能源研究院的研究，在氢气体积为16.7%的时候，输气压力12兆帕的工况下，使用X70的钢，钢的机械性能不会发生下降。城市配气管网掺氢比例10%资源，管道中氢气压低于0.4兆帕，这样的压力下基本上不会产生氢废，掺氢比例控制20%，灶具正常工作。这也很正常，原来我们使用人工煤气氢燃量都很高，锅炉，燃气电厂，内燃机均可以通过改造来使用燃气掺氢。

第二部分，几点思考。这几点是我想的问题，没有想的太清楚。一个是掺氢和纯氢哪一个现在优先，我认为在目前我们这个国家，这个阶段，我们觉得掺氢是优先的，因为只有掺氢才能实现大规模的运用，先掺氢后纯氢是这样的水平。

二是掺混输送后是否提纯?如果把氢掺到管道里面经过长距离输送之后再提纯，成本又上来了，我认为没有必要提纯，直接烧就可以。

三是大型的燃机掺氢之后要不要配套CCUS，我认为没有必要强制的配套CCUS，根据当时的经济情况。

四是改造和新建。先利用现有的设施改造，然后考虑新建掺氢的这些应用。新建的大型燃机应该优先选用掺氢，最起码我们现在规划的调峰电站都是考虑掺氢的。

五是集中与分散。先考虑集中，在掺氢管道输送解决之后可以长距离输送之后再考虑分布式的应用。

提一些建议。第一，我们觉得现在对天然气掺氢这个事从社会上，从国家层面重视程度都不够，应该更加重视天然气掺氢问题，加强顶层设计。包括规划，一些科技的规划，战略的规划以及标准的制定，政策的完善等等工作。

第二，加强对天然气掺氢技术攻关和标准体系的研究。标准也是建立在研究的基础上，这两个是一码事，建议政府院校，企业，行业协会产学研用还有金融机构共同来做这个事。

第三，推动掺氢应用示范。我们现在处于起步阶段，企业的参与度不高，很多问题缺乏了解，有待探索，通过试点示范带动产业的发展。从国家层面组织开展天然气掺氢的示范工程，面对不同的示范场景因地制宜开展示范，包括大基地的建设，管道掺氢，还有掺氢的燃机等等这方面开展示范和实验。

我要说的就是这些，谢谢各位聆听。