王洪建:氢能技术发展探究掺氢天然气利用与燃料电池供能

编者按：在“双碳”背景下分布式能源领域贯彻新发展理念，以“双碳背景下能源安全新思维——新型分布式综合能源保障”为主题的“第十八届中国分布式能源国际论坛”于2022年12月8日在北京采用线上的形式召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，北京市燃气热力工程设计院有限公司，道石研究院总工程师王洪建做了主题为《氢能技术发展探究掺氢天然气利用与燃料电池供能》的报告。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

王洪建：感谢主持人的介绍。大家好，我是北京市煤气热力设计院的王洪建，非常感谢主办方中国能源研究会分布式专委会的邀请和大家分享一下我们在氢能技术研究方面的一些思考和工作。我今天分享的题目是氢能技术发展探究，掺氢天然气利用和燃料电池供能。

我们是全国最早从事城市燃气和热力的专业设计院，我们一直参加国家和行业的相关标准规范，包括城市燃气，燃气冷热电三联供国家的标准都是我们院制定的，面向未来新的发展，面向未来综合能源领域，我们是综合能源技术创新的推动者和引领者。在新能源的技术发展方向，我们逐步瞄向氢能，分布式能源和生物质能源开展了一些新的研究工作。我们的氢能是燃气的一种，我们把氢能列为重点的发展方向，今天说一说我们对于发展氢能的思考，包括国内外氢能的发展现状，以及在掺氢天然气和燃料电池供能方面的一些工作。

首先大的背景。氢能本身是清洁灵活，零碳的二次能源，它可以打规模的存储和运输，之前朱总把氢能在新的碳中和能源体系中的重要作用进行了解释和阐述，我特别强调在制氢端可以作为大规模可再生能源的消纳，在终端来说对终端难减排领域助力碳中和。深层的逻辑氢能可以助力我们国家早日实现能源独立，我们国家像天然气40%多都是进口，石油将近80%是进口，对外的依存度还是很过的，如果氢能对天然气资源和石油资源进行有效的补充，可以助力我们国家能够早日端稳能源的饭碗。

现在氢能被纳入国家碳中和的能源体系的重要组成部分，国家制定了氢能的顶层战略。另外刚刚过去不久的北京冬奥会中大家可以看到氢能在这里面的应用，一方面包括主火炬氢燃料的火炬，纯氢燃料的火炬，还有绿色清洁交通的应用，冬奥会的氢能让大家意识到氢能可以很好的应用到城市能源中，甚至我们的生活中。为此大家也越来越意识到氢能是我们能源体系的重要组成部分，能够将气电热网络有机的组合起来，构建清洁低碳，安全高效的能源体系。

氢能源联盟预测一直到2050年全球终端能源18%由氢能承担，我们国家达到20%，可以说这个数并不高，但是氢能在终端应用的比例非常低，整个市场的增长空间还是非常到的。国内外许多国家把氢能发展成自己国家战略性的选择，截止到2021年底，20多个主要的经济体，现在超过30多个国家把氢能作为能源发展的重要组成部分。

全球氢能大概7000万吨，国际上的氢能来源是天然气制氢，主要的应用领域是化工领域，逐步从化工原料向能源逐步的拓展，包括交通，分布式供能，家用热电联产，天然气掺氢，氢冶金的领域，不同的国家根据自己的特色发展不同自己的重点领域。以美国为例，美国主要发展天然气的制氢，通过燃料电池进行发电的分布式供能，可以使它的整个综合效率变得比较高，可以把天然气的发展效率达到60%以上，而且整个排放可以达到1毫克之下，在效率方面具有非常突出的优势。实现模块化的组装，从千瓦级到百千瓦可以实现商业化的应用。

德国为了实现可再生高比例的消纳，把氢气直接掺混天然气的管道中，德国的燃气公司进行10%，甚至20%的掺氢应用，掺氢之后不仅利用好绿氢，可以降低一氧化碳有害物质的排放。日本重点在氢交通方面，包括燃料电池汽车，加氢站，家用热电联产方面主推氢气的计划。截止到2021年末日本采用燃料电池1000瓦级的热电联产系统超过42万台，目标2030年实现530万台的销售规模。

我们国家高度重视氢能产业政策的发展，特别是近几年氢能写入了政府的工作报告，2020年写入能源法，今年初国家制定了氢能顶层的发展规划。在发展规划中充分明确了氢能在未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端转型的载体，是未来的发展方向。

从我们国家目前氢能利用现状说，大数产能4000万吨，产量3000万吨，我们国家主要以煤制氢为主，大概30%，主要的应用领域包括甲醇，合成氨，石油炼化，少量作为工业的燃料在使用。氢能在新型的领域，交通，发电的消费量比较小，但是也在逐步的增加。面向未来的发展，氢能在未来的城市碳中和能源体系还是重要的组成部分。走进城市，国家力推氢进万家的目标，除了氢交通之外，还包括掺氢天然气的利用和燃料电池分布式供能的应用。

掺氢天然气的重要意义朱总也进行了特别的阐述和强调，我们也是想再次强调一下，在能源消费中天然气和氢能的融合对我们城市深入脱碳具有非常好的作用，掺氢比10%-20%，碳减排3.5%-7.6%，真正实现氢进万家可以实现终端深度的脱碳。刚才于总特别强调氢气和天然气还是有很大性质上的差异，因为在能量密度，燃烧特性的影响，对于城市燃气管网的完整性，终端燃烧器的安全性产生很大的影响，为此国内外开展了相应的应有示范。从2000年开始进行一些应用，目前2020年大概全球40多个示范项目，每年有3000吨的氢能掺入天然气管网，最高的比例达到20%。

从我们国家来说，掺氢技术目前列入我国氢能规划，特别是氢能规划中明确了开展掺氢管道试点示范。国家住建部开展了天然气掺氢管道和终端利用的研究课题，联合产业上下游的企业开展相应的论证示范和相应的一些研究工作。应该说在这块首先从产业链上解决的是如何进行天然气和氢能均匀的掺混，目前主流采用的是流量随动式，我们编制了天然气掺氢混气站的技术规程，这是目前首个相关的标准。在北京市科委的支持下，我们针对北京市天然气管网开展了混气站的设计，从工艺和安全方面给出了一些设计的方案。

从管材方面针对城市常用的一些管材，包括X20进行了一些管材的评估，目前认为10%之内是完全没有问题的，达到20%甚至更高比例只要对管道的密封，管件的要求进行检测，也是可以达到更高的比例。大家知道人工煤气氢气比例达到了20%-60%，从管材方面的适应性还是很高的。另外在终端应用方面，这是在国电投，我们也参与了示范项目，在民用燃气灶具进行了10%的长期利用，达到20%也是具有可行性的。

另外在工业领域的应用，我们面向城市供热领域的采暖锅炉，在集团的支持下和清华大学开展燃气锅炉掺氢燃烧的工作，从目前的工作看，小型锅炉和供暖锅炉掺氢比例如果达到20%是完全可行的，只要对我们燃烧器的运行参数进行一定的调整，保持原先的燃烧效率的情况下，降低排放。

同时我们也正在开展大型应用的示范，我们也在内蒙古科技厅的支持下，我们在内蒙古乌海市开展了纯氢掺氢的应用示范，我们会涉及到整个多级减压密封性，掺氢工艺的相关规范，对于混器设备，调压设备安全评估，我们也会把掺氢天然气应用到民用灶具和工业园区上，这个项目明年会建成示范，会支撑天然气掺氢相关的应用。

介绍一下燃烧电池供能。主要是因为燃烧电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能，和传统燃烧的方式是完全不同的，是未来分布式供能领域发展的方向之一。它的主要优势包括4个方面，一个是发展效率高，污染物排放低，振动和噪音比较低，灵活可靠，可以模块化的组装。从效率上目前天然气发电效率最高的技术是由燃料电池保持的，可以达到65%的发电效率，一方天然气发6.5度的电，对于高效利用天然气资源非常的关键。

第二方面，物产物排放比较低，不需要直接燃烧，排放达到1毫克之下的排放。在前期脱硫可以直接在燃烧前把硫化物进行脱除。一方面是因为高效，二氧化碳的排放降低了，产物里面只有二氧化碳和水，二氧化碳可以进行低成本的捕及。振动和噪声方面达到45分贝一下，大家可以看到右边的图把燃烧电池放在阳台，不会对用户的应用产生影响，在灵活可靠方面燃烧电池可以实现模块化的结构组装，通过串并联满足用户普通的需要，而且是电化学的反应，响应速度是比较快的。

全球大力发展燃料电池在固定式发电这个市场的应用，2021年累计出货量达到350兆瓦，目前采用的是质子交换膜等出货的类型。我们国家是高度重视燃烧电池在分布式能源领域的应用，在氢能的中长期规划，以及能源技术创新“十四五”规划中明确开展质子交换膜不同燃料电池在备用电源，分布式能源，热电联产领域的应用和示范。我们国家已经开展发电系统相关的标准，包括系统工程，性能，安装准则，特别是我们在燃气三联供有相关的标准规范作为重要的指导，我们也参与了标准规范制定的工作。

从未来的发展趋势看，国际上燃料以天然气为主，我们国内以应用示范为主。未来发展方向还是利用天然气管网的基础设施，实现燃料的供应。在未来的发展空间里面我们从利用好已有的复产氢和天然气，也可以是掺氢天然气的应用，最后到未来多元化燃料的供应，燃烧电池都可以发挥它重要的作用。根据我们国家对于应用的特点来看，在我们国家里面在燃料电池热电联产是未来发展的重要方向，区别日本在小型家用的特色，我们国家在数据中心，社区，医院热电联供的系统，是燃烧电池会有所突破的市场。

另外基于燃烧电池综合能源的系统，因为燃烧电池本身有清洁、高效、灵活的特色，可以和我们目前可再生能源，包括光伏，热泵以及未来碳捕集技术的联用使得整个能源供给更加的清洁，我们也可以实现电热冷不同形式的梯级利用，更好满足客户对于能量的需求。灵活方面，和我们一些内燃机，燃气轮机进行联合应用，发挥各自的优势，把我们终端分布式能源的综合利用效率进一步的提升。

最后做一个总结。总体来看，氢能是未来能源体系重要的组成部分，目前属于商业化的快速增长阶段，将近30多个国家把氢能作为国家的战略，我们国家今年发布了氢能的中长期规划，纳入了我们国家能源战略。国内氢能产业链也是初步的形成了，开始进入了商业化的导入阶段，在分布式发电，天然气掺氢领域已经开展了一些自己的应用示范。

未来掺氢天然气是我们实现氢进万家的重要途径，在终端和管道方面掺氢10%-20%比例完全是可行的，从燃烧电池来说，作为更高效，更清洁的动力机来看，也是未来分布式供能技术发展的必然趋势，特别是面向我们国家的应用，在社区、医院、数据中心这样的百千瓦-兆瓦级的应用，燃烧电池会逐步发挥自己的经济优势。

我们国家氢能产业的发展需要结合我们国家的实际青年，因地制宜的发展氢能，推动氢能安全、经济、可持续的发展。氢能就像冬奥会火炬一样，薪火相传，生生不息，星星之火可以燎原，氢进万家未来可期。

谢谢大家，特别感谢国家能源局等对我们工作大力的支持，感谢主办方中国能源研究会的邀请，谢谢。