王洪建:氫能技術(shù)發(fā)展探究摻氫天然氣利用與燃料電池供能

編者按：在“雙碳”背景下分布式能源領(lǐng)域貫徹新發(fā)展理念，以“雙碳背景下能源安全新思維——新型分布式綜合能源保障”為主題的“第十八屆中國分布式能源國際論壇”于2022年12月8日在北京采用線(xiàn)上的形式召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，北京市燃氣熱力工程設計院有限公司，道石研究院總工程師王洪建做了主題為《氫能技術(shù)發(fā)展探究摻氫天然氣利用與燃料電池供能》的報告。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

王洪建：感謝主持人的介紹。大家好，我是北京市煤氣熱力設計院的王洪建，非常感謝主辦方中國能源研究會(huì )分布式專(zhuān)委會(huì )的邀請和大家分享一下我們在氫能技術(shù)研究方面的一些思考和工作。我今天分享的題目是氫能技術(shù)發(fā)展探究，摻氫天然氣利用和燃料電池供能。

我們是全國最早從事城市燃氣和熱力的專(zhuān)業(yè)設計院，我們一直參加國家和行業(yè)的相關(guān)標準規范，包括城市燃氣，燃氣冷熱電三聯(lián)供國家的標準都是我們院制定的，面向未來(lái)新的發(fā)展，面向未來(lái)綜合能源領(lǐng)域，我們是綜合能源技術(shù)創(chuàng )新的推動(dòng)者和引領(lǐng)者。在新能源的技術(shù)發(fā)展方向，我們逐步瞄向氫能，分布式能源和生物質(zhì)能源開(kāi)展了一些新的研究工作。我們的氫能是燃氣的一種，我們把氫能列為重點(diǎn)的發(fā)展方向，今天說(shuō)一說(shuō)我們對于發(fā)展氫能的思考，包括國內外氫能的發(fā)展現狀，以及在摻氫天然氣和燃料電池供能方面的一些工作。

首先大的背景。氫能本身是清潔靈活，零碳的二次能源，它可以打規模的存儲和運輸，之前朱總把氫能在新的碳中和能源體系中的重要作用進(jìn)行了解釋和闡述，我特別強調在制氫端可以作為大規?？稍偕茉吹南{，在終端來(lái)說(shuō)對終端難減排領(lǐng)域助力碳中和。深層的邏輯氫能可以助力我們國家早日實(shí)現能源獨立，我們國家像天然氣40%多都是進(jìn)口，石油將近80%是進(jìn)口，對外的依存度還是很過(guò)的，如果氫能對天然氣資源和石油資源進(jìn)行有效的補充，可以助力我們國家能夠早日端穩能源的飯碗。

現在氫能被納入國家碳中和的能源體系的重要組成部分，國家制定了氫能的頂層戰略。另外剛剛過(guò)去不久的北京冬奧會(huì )中大家可以看到氫能在這里面的應用，一方面包括主火炬氫燃料的火炬，純氫燃料的火炬，還有綠色清潔交通的應用，冬奧會(huì )的氫能讓大家意識到氫能可以很好的應用到城市能源中，甚至我們的生活中。為此大家也越來(lái)越意識到氫能是我們能源體系的重要組成部分，能夠將氣電熱網(wǎng)絡(luò )有機的組合起來(lái)，構建清潔低碳，安全高效的能源體系。

氫能源聯(lián)盟預測一直到2050年全球終端能源18%由氫能承擔，我們國家達到20%，可以說(shuō)這個(gè)數并不高，但是氫能在終端應用的比例非常低，整個(gè)市場(chǎng)的增長(cháng)空間還是非常到的。國內外許多國家把氫能發(fā)展成自己國家戰略性的選擇，截止到2021年底，20多個(gè)主要的經(jīng)濟體，現在超過(guò)30多個(gè)國家把氫能作為能源發(fā)展的重要組成部分。

全球氫能大概7000萬(wàn)噸，國際上的氫能來(lái)源是天然氣制氫，主要的應用領(lǐng)域是化工領(lǐng)域，逐步從化工原料向能源逐步的拓展，包括交通，分布式供能，家用熱電聯(lián)產(chǎn)，天然氣摻氫，氫冶金的領(lǐng)域，不同的國家根據自己的特色發(fā)展不同自己的重點(diǎn)領(lǐng)域。以美國為例，美國主要發(fā)展天然氣的制氫，通過(guò)燃料電池進(jìn)行發(fā)電的分布式供能，可以使它的整個(gè)綜合效率變得比較高，可以把天然氣的發(fā)展效率達到60%以上，而且整個(gè)排放可以達到1毫克之下，在效率方面具有非常突出的優(yōu)勢。實(shí)現模塊化的組裝，從千瓦級到百千瓦可以實(shí)現商業(yè)化的應用。

德國為了實(shí)現可再生高比例的消納，把氫氣直接摻混天然氣的管道中，德國的燃氣公司進(jìn)行10%，甚至20%的摻氫應用，摻氫之后不僅利用好綠氫，可以降低一氧化碳有害物質(zhì)的排放。日本重點(diǎn)在氫交通方面，包括燃料電池汽車(chē)，加氫站，家用熱電聯(lián)產(chǎn)方面主推氫氣的計劃。截止到2021年末日本采用燃料電池1000瓦級的熱電聯(lián)產(chǎn)系統超過(guò)42萬(wàn)臺，目標2030年實(shí)現530萬(wàn)臺的銷(xiāo)售規模。

我們國家高度重視氫能產(chǎn)業(yè)政策的發(fā)展，特別是近幾年氫能寫(xiě)入了政府的工作報告，2020年寫(xiě)入能源法，今年初國家制定了氫能頂層的發(fā)展規劃。在發(fā)展規劃中充分明確了氫能在未來(lái)國家能源體系的重要組成部分，是用能終端轉型的載體，是未來(lái)的發(fā)展方向。

從我們國家目前氫能利用現狀說(shuō)，大數產(chǎn)能4000萬(wàn)噸，產(chǎn)量3000萬(wàn)噸，我們國家主要以煤制氫為主，大概30%，主要的應用領(lǐng)域包括甲醇，合成氨，石油煉化，少量作為工業(yè)的燃料在使用。氫能在新型的領(lǐng)域，交通，發(fā)電的消費量比較小，但是也在逐步的增加。面向未來(lái)的發(fā)展，氫能在未來(lái)的城市碳中和能源體系還是重要的組成部分。走進(jìn)城市，國家力推氫進(jìn)萬(wàn)家的目標，除了氫交通之外，還包括摻氫天然氣的利用和燃料電池分布式供能的應用。

摻氫天然氣的重要意義朱總也進(jìn)行了特別的闡述和強調，我們也是想再次強調一下，在能源消費中天然氣和氫能的融合對我們城市深入脫碳具有非常好的作用，摻氫比10%-20%，碳減排3.5%-7.6%，真正實(shí)現氫進(jìn)萬(wàn)家可以實(shí)現終端深度的脫碳。剛才于總特別強調氫氣和天然氣還是有很大性質(zhì)上的差異，因為在能量密度，燃燒特性的影響，對于城市燃氣管網(wǎng)的完整性，終端燃燒器的安全性產(chǎn)生很大的影響，為此國內外開(kāi)展了相應的應有示范。從2000年開(kāi)始進(jìn)行一些應用，目前2020年大概全球40多個(gè)示范項目，每年有3000噸的氫能摻入天然氣管網(wǎng)，最高的比例達到20%。

從我們國家來(lái)說(shuō)，摻氫技術(shù)目前列入我國氫能規劃，特別是氫能規劃中明確了開(kāi)展摻氫管道試點(diǎn)示范。國家住建部開(kāi)展了天然氣摻氫管道和終端利用的研究課題，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)上下游的企業(yè)開(kāi)展相應的論證示范和相應的一些研究工作。應該說(shuō)在這塊首先從產(chǎn)業(yè)鏈上解決的是如何進(jìn)行天然氣和氫能均勻的摻混，目前主流采用的是流量隨動(dòng)式，我們編制了天然氣摻氫混氣站的技術(shù)規程，這是目前首個(gè)相關(guān)的標準。在北京市科委的支持下，我們針對北京市天然氣管網(wǎng)開(kāi)展了混氣站的設計，從工藝和安全方面給出了一些設計的方案。

從管材方面針對城市常用的一些管材，包括X20進(jìn)行了一些管材的評估，目前認為10%之內是完全沒(méi)有問(wèn)題的，達到20%甚至更高比例只要對管道的密封，管件的要求進(jìn)行檢測，也是可以達到更高的比例。大家知道人工煤氣氫氣比例達到了20%-60%，從管材方面的適應性還是很高的。另外在終端應用方面，這是在國電投，我們也參與了示范項目，在民用燃氣灶具進(jìn)行了10%的長(cháng)期利用，達到20%也是具有可行性的。

另外在工業(yè)領(lǐng)域的應用，我們面向城市供熱領(lǐng)域的采暖鍋爐，在集團的支持下和清華大學(xué)開(kāi)展燃氣鍋爐摻氫燃燒的工作，從目前的工作看，小型鍋爐和供暖鍋爐摻氫比例如果達到20%是完全可行的，只要對我們燃燒器的運行參數進(jìn)行一定的調整，保持原先的燃燒效率的情況下，降低排放。

同時(shí)我們也正在開(kāi)展大型應用的示范，我們也在內蒙古科技廳的支持下，我們在內蒙古烏海市開(kāi)展了純氫摻氫的應用示范，我們會(huì )涉及到整個(gè)多級減壓密封性，摻氫工藝的相關(guān)規范，對于混器設備，調壓設備安全評估，我們也會(huì )把摻氫天然氣應用到民用灶具和工業(yè)園區上，這個(gè)項目明年會(huì )建成示范，會(huì )支撐天然氣摻氫相關(guān)的應用。

介紹一下燃燒電池供能。主要是因為燃燒電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉化成電能，和傳統燃燒的方式是完全不同的，是未來(lái)分布式供能領(lǐng)域發(fā)展的方向之一。它的主要優(yōu)勢包括4個(gè)方面，一個(gè)是發(fā)展效率高，污染物排放低，振動(dòng)和噪音比較低，靈活可靠，可以模塊化的組裝。從效率上目前天然氣發(fā)電效率最高的技術(shù)是由燃料電池保持的，可以達到65%的發(fā)電效率，一方天然氣發(fā)6.5度的電，對于高效利用天然氣資源非常的關(guān)鍵。

第二方面，物產(chǎn)物排放比較低，不需要直接燃燒，排放達到1毫克之下的排放。在前期脫硫可以直接在燃燒前把硫化物進(jìn)行脫除。一方面是因為高效，二氧化碳的排放降低了，產(chǎn)物里面只有二氧化碳和水，二氧化碳可以進(jìn)行低成本的捕及。振動(dòng)和噪聲方面達到45分貝一下，大家可以看到右邊的圖把燃燒電池放在陽(yáng)臺，不會(huì )對用戶(hù)的應用產(chǎn)生影響，在靈活可靠方面燃燒電池可以實(shí)現模塊化的結構組裝，通過(guò)串并聯(lián)滿(mǎn)足用戶(hù)普通的需要，而且是電化學(xué)的反應，響應速度是比較快的。

全球大力發(fā)展燃料電池在固定式發(fā)電這個(gè)市場(chǎng)的應用，2021年累計出貨量達到350兆瓦，目前采用的是質(zhì)子交換膜等出貨的類(lèi)型。我們國家是高度重視燃燒電池在分布式能源領(lǐng)域的應用，在氫能的中長(cháng)期規劃，以及能源技術(shù)創(chuàng )新“十四五”規劃中明確開(kāi)展質(zhì)子交換膜不同燃料電池在備用電源，分布式能源，熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域的應用和示范。我們國家已經(jīng)開(kāi)展發(fā)電系統相關(guān)的標準，包括系統工程，性能，安裝準則，特別是我們在燃氣三聯(lián)供有相關(guān)的標準規范作為重要的指導，我們也參與了標準規范制定的工作。

從未來(lái)的發(fā)展趨勢看，國際上燃料以天然氣為主，我們國內以應用示范為主。未來(lái)發(fā)展方向還是利用天然氣管網(wǎng)的基礎設施，實(shí)現燃料的供應。在未來(lái)的發(fā)展空間里面我們從利用好已有的復產(chǎn)氫和天然氣，也可以是摻氫天然氣的應用，最后到未來(lái)多元化燃料的供應，燃燒電池都可以發(fā)揮它重要的作用。根據我們國家對于應用的特點(diǎn)來(lái)看，在我們國家里面在燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)是未來(lái)發(fā)展的重要方向，區別日本在小型家用的特色，我們國家在數據中心，社區，醫院熱電聯(lián)供的系統，是燃燒電池會(huì )有所突破的市場(chǎng)。

另外基于燃燒電池綜合能源的系統，因為燃燒電池本身有清潔、高效、靈活的特色，可以和我們目前可再生能源，包括光伏，熱泵以及未來(lái)碳捕集技術(shù)的聯(lián)用使得整個(gè)能源供給更加的清潔，我們也可以實(shí)現電熱冷不同形式的梯級利用，更好滿(mǎn)足客戶(hù)對于能量的需求。靈活方面，和我們一些內燃機，燃氣輪機進(jìn)行聯(lián)合應用，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，把我們終端分布式能源的綜合利用效率進(jìn)一步的提升。

最后做一個(gè)總結?？傮w來(lái)看，氫能是未來(lái)能源體系重要的組成部分，目前屬于商業(yè)化的快速增長(cháng)階段，將近30多個(gè)國家把氫能作為國家的戰略，我們國家今年發(fā)布了氫能的中長(cháng)期規劃，納入了我們國家能源戰略。國內氫能產(chǎn)業(yè)鏈也是初步的形成了，開(kāi)始進(jìn)入了商業(yè)化的導入階段，在分布式發(fā)電，天然氣摻氫領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)展了一些自己的應用示范。

未來(lái)?yè)綒涮烊粴馐俏覀儗?shí)現氫進(jìn)萬(wàn)家的重要途徑，在終端和管道方面摻氫10%-20%比例完全是可行的，從燃燒電池來(lái)說(shuō)，作為更高效，更清潔的動(dòng)力機來(lái)看，也是未來(lái)分布式供能技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，特別是面向我們國家的應用，在社區、醫院、數據中心這樣的百千瓦-兆瓦級的應用，燃燒電池會(huì )逐步發(fā)揮自己的經(jīng)濟優(yōu)勢。

我們國家氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要結合我們國家的實(shí)際青年，因地制宜的發(fā)展氫能，推動(dòng)氫能安全、經(jīng)濟、可持續的發(fā)展。氫能就像冬奧會(huì )火炬一樣，薪火相傳，生生不息，星星之火可以燎原，氫進(jìn)萬(wàn)家未來(lái)可期。

謝謝大家，特別感謝國家能源局等對我們工作大力的支持，感謝主辦方中國能源研究會(huì )的邀請，謝謝。