6月16日，有這樣一個(gè)消息：世界上最大的氫燃料混合項目竣工。三菱電力公司、喬治亞電力公司以及電力研究所(EPRI)已經(jīng)在位于士麥那喬治亞電力公司麥克唐納-阿特金森(McDonough-Atkinson)工廠(chǎng)的M501G天然氣渦輪機上驗證氫氣和天然氣的燃料混合的可行性，并在部分負載及滿(mǎn)載狀況下進(jìn)行相關(guān)驗證。

該示范項目是北美首個(gè)在先進(jìn)級別的燃氣輪機上驗證氫燃料占20%的混合項目，在迄今為止同類(lèi)試驗中也是規模最大。

這座電廠(chǎng)是在2012年實(shí)現完全轉型，利用天然氣供電，并擴大為170萬(wàn)家庭供電。這次氫燃料調合項目，是有三菱電力提供包括技術(shù)和設備，氫氣則由Certarus公司提供。

那么問(wèn)題來(lái)了，氫可以直接作為燃料嗎？和天然氣摻和的氫氣有比例上限嗎？

可以完全用氫做燃料用于發(fā)電嗎？

雖然現在氫能源的應用場(chǎng)景多是將其作為二次能源，但作為一次能源直接燃燒，是完全可行的，它本身就是一種性能極其優(yōu)良的燃料。沒(méi)有什么根本障礙使氫不能在燃氣輪機、加熱器、鍋爐或發(fā)電等其他能源應用中燃燒、氫與天然氣的混合燃燒，或作為純氫燃燒。

之所以和天然氣摻和燃燒，好處是，不僅能增加天然氣的燃燒值；還可以利用天然氣管道等基礎設施，對現階段氫氣運輸、氫能的廣泛及規模運用開(kāi)拓更多的可能性。氫的陸地儲運成本是出了名的高，天然氣管網(wǎng)具有區域廣、輸送量高、傳輸距離長(cháng)及費用低等優(yōu)勢，利用現役天然氣輸配管網(wǎng)與基礎設施摻氫輸送，可實(shí)現低成本、規?；臍淠芄?。

天然氣摻氫輸送系統組成示意圖 來(lái)源：環(huán)球零碳

最重要的是，能夠大大降低二氧化碳的排放。三菱電機在北美的項目表明，與天然氣相比，20%的混合氣可以減少約7%的碳排放。

截至今年5月，英國、美國、比利時(shí)、德國等國家均已啟動(dòng)了天然氣摻氫規劃。

英國：2020年1月英國示范項目HyDeploy正式投入運營(yíng)。該項目是英國首個(gè)向燃氣中注入氫氣以供家庭和企業(yè)使用的試點(diǎn)項目，用于向基爾大學(xué)現有的天然氣網(wǎng)絡(luò )注入高達20%的氫氣，為100戶(hù)家庭和30座教學(xué)樓供氣。該項目于2018年成功獲得HSE許可，在基爾大學(xué)開(kāi)展20%比例的摻氫實(shí)驗，該項目的摻氫比例目前為歐洲最高。

意大利：2019年4月意大利公司Snam在南意大利啟動(dòng)了一項天然氣摻氫項目，并向該地區的兩家工業(yè)公司輸送了含量為5%的摻氫混合氣。2019年底，Snam將該項目的摻氫量翻了1倍達到10%。這意味著(zhù)Snam每年將向該管道注入70億立方米氫氣。

德國：2019年8月德國公用事業(yè)公司意昂(E.ON)的子公司Avacon計劃將其天然氣管道網(wǎng)的氫氣混合率提高到20%。此外德國天然氣網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商協(xié)會(huì )(FNB Gas)曾指出，鑒于德國的天然氣基礎設施較為完善，氫氣適合在德發(fā)展，并將敦促政府逐年遞增天然氣管網(wǎng)納入氫氣的比例，如從2021年的1%升至2030年的10%。

西班牙：2022年5月22日，西班牙第二大天然氣分銷(xiāo)商Nortegas推出H2SAREA項目，這是西班牙第一個(gè)向現有天然氣網(wǎng)絡(luò )注入綠色氫氣的國家級示范項目。該公司將向其現有的8000余公里管道基礎設施注入氫氣，目的是為鞏固以氫作為西班牙住宅、工業(yè)和移動(dòng)市場(chǎng)的經(jīng)濟脫碳杠桿的地位。

中國：目前國內首個(gè)電解制氫摻入天然氣項目——由遼寧省朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司承接的國家電投天燃氣管道摻氫示范項目已進(jìn)入試驗階段，試驗成功后將建設每小時(shí)生產(chǎn)1000立方的氫氣生產(chǎn)線(xiàn)。目前已建成每小時(shí)生產(chǎn)10立方氫氣的生產(chǎn)線(xiàn)，采取水電解制氫方法，通過(guò)把氫氣經(jīng)壓縮、加儲、摻混等環(huán)節進(jìn)入天然氣管道，試驗結束后將出臺一個(gè)天然氣摻氫的標準，彌補國內空白，把天然氣摻氫項目推到市場(chǎng)化去；2021年12月15日，內蒙古科技重大專(zhuān)項 “摻氫天然氣內燃機關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范應用” 項目正式啟動(dòng)。該項目實(shí)施后，將為我國摻氫天然氣（HCHG）內燃機關(guān)鍵技術(shù)突破、核心零部件開(kāi)發(fā)、樣機研制及工程應用提供技術(shù)支撐。

日本：三菱電機在北美的項目之所以能取得成功，還在于三菱電力的氫燃燒經(jīng)驗，以及正在進(jìn)行的氫燃燒開(kāi)發(fā)，該公司在日本兵庫縣高崎工廠(chǎng)的氫DLN燃燒達到100%。

困難和挑戰

不過(guò)“天然氣摻氫”也面臨著(zhù)一些挑戰。

首先是輸送環(huán)節的挑戰。由于鋼材在氫氣環(huán)境下會(huì )產(chǎn)生氫損傷，包括氫脆、氫致裂紋、氫鼓泡等，此外在較高的溫度壓力下還會(huì )發(fā)生脫碳和氫蝕。其中氫脆（氫原子進(jìn)入金屬晶格內部，使金屬材料內部產(chǎn)生裂紋的現象）是發(fā)展摻氫天然氣管道輸送技術(shù)的主要安全問(wèn)題。

其次是發(fā)電環(huán)節的挑戰。雖然氫燃燒提供了一個(gè)很有前途的儲能和轉換途徑，但對于當今的天然氣能源轉換裝置來(lái)說(shuō)，這并不是一種“隨時(shí)可用”燃料。燃料處理系統、閥門(mén)和管道以及燃燒室硬件需要進(jìn)行更改，以解決污染物排放、可操作性和成本等問(wèn)題。

使用天然氣發(fā)電系統燒氫來(lái)發(fā)電，還有一個(gè)可操作性問(wèn)題，即設備在不停機、不損壞或性能不合格的情況下可靠運行的能力。氫從幾個(gè)方面影響可操作性，其中回火是將氫氣用于天然氣的系統中最嚴重問(wèn)題，氫的火焰速度比天然氣高一個(gè)數量級，因為火焰會(huì )向上游傳播并嚴重損壞硬件。

最后，它還有一個(gè)污染物排放問(wèn)題。你沒(méi)看錯，清潔能源氫居然也有污染物。它當然不會(huì )排放任何微?；蛞谎趸?，因為氫燃氣不含碳原子。然而，氫燃燒會(huì )產(chǎn)生氮氧化物，也就是NOx。本質(zhì)上，當空氣加熱到高溫時(shí)，空氣中的氮和氧開(kāi)始相互反應時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生NOx。因此，與使用氫氣有關(guān)的挑戰是如何實(shí)現低NOx燃燒系統。

目前，國際上尚未出臺摻氫天然氣管道輸送系統專(zhuān)用的標準規范，各國天然氣氣體質(zhì)量規范中可允許的最大摻氫比例也各不相同

部分國家和地區對天然氣中摻氫比例上限的要求 來(lái)源：環(huán)球零碳

我國目前缺乏專(zhuān)門(mén)針對氫氣管道的標準，我國天然氣管道輸送相關(guān)的標準規范《煤制合成天然氣》（GB/T33445—2017)《進(jìn)入天然氣長(cháng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》（GB/T 37124—2018)中，分別規定了混合氣體中氫氣比例上限不超過(guò)5%和3%；兩標準分別針對煤制合成天然氣和天然氣管網(wǎng)，考慮到天然氣/煤制天然氣生產(chǎn)過(guò)程中有氫氣，諸如焦爐煤氣中氫體積分數約50%、甲烷約30%，且氫氣含量作為一項重要技術(shù)指標，需嚴格控制，達到控制和保證天然氣/合成天然管網(wǎng)輸運安全?？梢钥闯?，各國對天然氣中氫氣含量要求較為嚴格，即便是開(kāi)展了摻氫天然氣管道輸送相關(guān)示范和研發(fā)工作的國家，對天然氣中可摻氫比例依然相當謹慎，相關(guān)標準中規定的摻氫比例上限都未超過(guò)10%。

前景依舊誘人

由于成本過(guò)高，天然氣摻氫還面臨著(zhù)來(lái)自其他降碳方式的競爭，比如，使用碳捕捉與封存（CCS）裝置降碳，按照其市場(chǎng)發(fā)展速度，成本將很快降至200美元/噸以下，這將對天然氣摻氫降碳產(chǎn)生很大壓力。

但直接用作燃料，像天然氣一樣燃燒，依舊具有誘惑力，因為氫能發(fā)電廠(chǎng)將在能源轉型中扮演重要角色。

如果有可再生能源，將其轉化為氫氣并重新通電，能源效率不到40%。但是，當我們將氫氣用作長(cháng)期儲存和對各種可再生能源的補償時(shí)，這才有意義。如果需要季節性?xún)δ堋煜奶焓褂锰?yáng)能，秋天到夏天使用風(fēng)能——氫氣就可以完成這一過(guò)程。

大規模儲氫也將有助于減少大風(fēng)/晴天期間風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電的減少。綠氫可以增加我們可再生能源的吸納，因為可以利用原本要被放棄的可再生能源制氫。因此，通過(guò)電解（利用電力將水分子分解成氫氣和氧氣），并將多余的能量?jì)Υ鏋闅錃?，可以真正讓電力系統大量擴展可再生能源。一旦能利用過(guò)剩的可再生能源電力，那么就可以將可再生能源實(shí)際利用率翻一番甚至更高。

挪威石油巨頭Equinor和蘇格蘭公用事業(yè)公司SSE最近宣布了一項計劃，計劃在2030年前在英格蘭東北部的凱德比建造一座全新的1.8吉瓦氫氣發(fā)電站。該項目將可以由低碳的藍色氫氣提供動(dòng)力，也可用于支持各種可再生能源，特別是是海上風(fēng)電。

然而，在目前的條件下，使用清潔的氫氣發(fā)電在經(jīng)濟上還是虧損的。目前綠色氫氣的成本估計在2.50-6美元/千克之間，藍色氫氣的成本在1.50-4美元/千克之間。如果清潔的氫氣在每千克2.35美元，以使其具有與化石氣競爭的成本，需要對應二氧化碳價(jià)格為每噸200-250美元。我們距離這一碳價(jià)水平仍然很遙遠，目前歐盟的碳價(jià)格約為每噸50歐元。

雖然，清潔氫氣在2035年之前不會(huì )用于大規模電力生產(chǎn)，但會(huì )在運輸和重工業(yè)等其他部門(mén)發(fā)揮效益。預計，在2035-2040年之間各國必須對電力部門(mén)進(jìn)行深度脫碳，屆時(shí)以氫能為基礎的電氣化將大規模發(fā)生。