“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系構(gòu)建和技術(shù)路徑選擇

侯建國(guó)，姚輝超，王秀林，張 瑜，宋鵬飛，張雨晴，隋依言，穆祥宇

（中海石油氣電集團(tuán)技術(shù)研發(fā)中心，北京 100028）

全球能源結(jié)構(gòu)持續(xù)向低碳清潔化方向發(fā)展，氫能具有低碳清潔、比能量密度大和轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，在能源轉(zhuǎn)型中備受矚目[1-3]。據(jù)本文初步統(tǒng)計(jì)，截至2022年初，歐美日韓等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)體紛紛出臺(tái)了國(guó)家級(jí)氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃或發(fā)展目標(biāo)，世界氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑日漸清晰。2022年3月，中國(guó)國(guó)家發(fā)改委正式發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期規(guī)劃，明確指出氫能是國(guó)家未來(lái)能源體系的重要組成部分，是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是未來(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向，是用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。氫能是二次能源，通過(guò)燃燒和燃料電池等利用方式生成水，有利于實(shí)現(xiàn)低碳甚至零碳排放，是能源、工業(yè)、交通和建筑等產(chǎn)業(yè)邁向低碳化的有效路徑，將能有效緩解溫室效應(yīng)和環(huán)境污染[2-3]。然而，氫能產(chǎn)業(yè)剛剛起步，面臨眾多挑戰(zhàn)，比如核心技術(shù)有待突破、制儲(chǔ)運(yùn)氫成本較高、配套基礎(chǔ)設(shè)施缺乏和安全性尚待完善等。

在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，天然氣作為清潔低碳能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中仍占有重要地位[4-5]。天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中也存在一些制約因素，比如沿海地區(qū)的天然氣消費(fèi)市場(chǎng)亟需開拓、消費(fèi)結(jié)構(gòu)亟需調(diào)整。同時(shí)，天然氣消費(fèi)水平明顯偏低，且供應(yīng)能力存在階段性、區(qū)域性富余，天然氣基礎(chǔ)設(shè)施季節(jié)性使用率偏低，限制了天然氣產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。為培育氫能產(chǎn)業(yè)，并進(jìn)一步拓展天然氣消費(fèi)市場(chǎng)，考慮利用現(xiàn)有天然氣管道網(wǎng)絡(luò)混輸一定比例氫氣，以降低氫儲(chǔ)運(yùn)成本。利用天然氣管網(wǎng)分布廣的優(yōu)勢(shì)，在一定范圍內(nèi)試行近用戶式的小規(guī)模分散制氫[6]（如橇裝式天然氣制氫），可大大節(jié)省運(yùn)輸成本或降低用氫成本[7]，提高用氫安全。已有學(xué)者研究了此類問(wèn)題，張福東等[8]提出了天然氣和氫能產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展思路，建議國(guó)內(nèi)油氣公司從上、中、下游3個(gè)方面對(duì)氫和天然氣產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行融合發(fā)展；曹蕃等[9]討論了可再生能源與綜合能源服務(wù)園區(qū)耦合氫能發(fā)展的具體技術(shù)路徑。但相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的報(bào)道很少。

本文利用現(xiàn)有技術(shù)，結(jié)合可再生能源發(fā)展和二氧化碳高效利用，探討構(gòu)建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系技術(shù)路徑的可行性，以期為進(jìn)一步降低氫能儲(chǔ)運(yùn)成本、拓展天然氣消費(fèi)市場(chǎng)，以及完善我國(guó)清潔能源發(fā)展路徑提供借鑒和參考。

1 “天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的構(gòu)建

本文提出初步構(gòu)建的“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。該體系以天然氣和氫氣兩種清潔能源作為主線，將電能、天然氣和氫能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，將一次能源天然氣和二次能源電能貫通起來(lái)，互為依托和補(bǔ)充；同時(shí)引入風(fēng)、光和水等可再生能源和二氧化碳為輸入要素，對(duì)外輸出“電能、天然氣和氫能”，并進(jìn)一步拓展生產(chǎn)用于合成甲醇等綠色化工產(chǎn)品的合成氣。該體系優(yōu)勢(shì)明顯，既能充分利用風(fēng)能、光能和水能等可再生能源，通過(guò)電解水制氫方法，利用氫氣將電能儲(chǔ)存起來(lái)[10-12]，在一定程度上解決儲(chǔ)能難題；同時(shí)，還可消納剩余的電能，通過(guò)固體氧化物電解池等高效儲(chǔ)能技術(shù)，將二氧化碳直接電解為一氧化碳，成為綠色化工合成的原料[13]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，雙清潔低碳能源體系將會(huì)逐漸完善起來(lái)，為建立清潔低碳的社會(huì)服務(wù)。

圖1 “天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系Fig.1 “Natural gas + hydrogen” dual clean and low-carbon energy system

以上所構(gòu)建雙清潔低碳能源體系內(nèi)部電能、天然氣和氫能等不同能流之間，可通過(guò)不同技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，根據(jù)對(duì)不同能源種類的需求，進(jìn)行相應(yīng)比例清潔能源輸出。此外，該體系可以消納自身環(huán)節(jié)產(chǎn)生的二氧化碳，實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。在體系框架內(nèi)，電能、天然氣和氫能之間的轉(zhuǎn)化主要通過(guò)以下3類技術(shù)路徑（可再生能源電解制氫、天然氣制氫發(fā)電技術(shù)和氫氣轉(zhuǎn)化利用技術(shù)）實(shí)現(xiàn)。

2 “天然氣+氫能”體系技術(shù)路徑的選擇

2.1 可再生能源電解制氫技術(shù)路徑

電解水制氫技術(shù)路徑如圖2所示，主要利用風(fēng)光等可再生能源產(chǎn)生的電能，電解水制取氫氣、電解二氧化碳制備一氧化碳等。該路徑涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：風(fēng)光等可再生能源發(fā)電、電解水制氫、電解二氧化碳以及氫氣和一氧化碳甲烷化制天然氣?？稍偕茉措娊饧夹g(shù)路徑是“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系最重要、最具潛力的核心路徑之一。利用可再生能源產(chǎn)生的電力，電解水制氫被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“綠氫”的最優(yōu)途徑之一。此外，采用固體氧化物電解池可以將二氧化碳電解成一氧化碳。氫氣和一氧化碳還可以進(jìn)一步通過(guò)甲烷化技術(shù)轉(zhuǎn)化為天然氣。

圖2 可再生能源電解制氫技術(shù)路徑Fig.2 Technological path of electrolytic hydrogen production from renewable energy

目前，通過(guò)可再生能源發(fā)電制取“綠氫”的技術(shù)路線主要有堿性電解池、質(zhì)子交換膜（PEM）電解池和固體氧化物（SOEC）電解池等[13-15]。各技術(shù)根據(jù)不同特點(diǎn)，與可再生能源結(jié)合的應(yīng)用領(lǐng)域有所差異。堿性電解池技術(shù)成熟、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度高且成本低，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。單槽電解制氫產(chǎn)量較大、易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，但實(shí)際電能消耗較大、適合于有穩(wěn)定電源且裝機(jī)規(guī)模較大的電力系統(tǒng)；此外，該技術(shù)產(chǎn)生腐蝕液體，后期運(yùn)維復(fù)雜、成本高。PEM電解制氫的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)腐蝕性液體、運(yùn)行靈活簡(jiǎn)單、效率較高、運(yùn)維成本低、占地面積小、對(duì)間歇性電源適應(yīng)性好以及能夠以較低功率保持待機(jī)；缺點(diǎn)是設(shè)備成本較高，在技術(shù)成熟度、裝置規(guī)模、使用壽命以及經(jīng)濟(jì)性等方面不佳，較國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距。

SOEC電解池技術(shù)的電耗低于堿性電解池和PEM電解技術(shù)，但只適合高溫環(huán)境，如產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽的光熱發(fā)電系統(tǒng)等。此外，SOEC電解池還可以用于電解二氧化碳。2006年，美國(guó)Ⅰdaho國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)，陰極上水和二氧化碳混合氣體共電解可生成氫氣和一氧化碳，該技術(shù)迅速成為能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[16]。SOEC電解池技術(shù)直接電解二氧化碳為一氧化碳，而一氧化碳作為合成氣原料能夠很好與綠色化工結(jié)合。目前SOEC電解技術(shù)尚未廣泛商業(yè)化，國(guó)內(nèi)僅完成了實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證示范。

隨著可再生能源發(fā)電成本不斷降低，電解水制氫效率大幅提升，其成本也大幅降低?？紤]碳稅等因素，綠氫、綠電的經(jīng)濟(jì)性不斷提高，結(jié)合可再生能源在中國(guó)能源結(jié)構(gòu)占比的增加趨勢(shì)，雙清潔低碳能源體系勢(shì)必大大推動(dòng)清潔能源體系的發(fā)展。

2.2 天然氣制氫發(fā)電技術(shù)路徑

天然氣制氫發(fā)電技術(shù)路徑如圖3所示，以天然氣為能源和資源基礎(chǔ)，通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得氫氣和電力，是構(gòu)建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的重要技術(shù)路徑。天然氣發(fā)電技術(shù)成熟，已獲得廣泛應(yīng)用[17]，本文不再詳述。天然氣制氫技術(shù)主要包括天然氣蒸汽重整制氫、天然氣部分氧化制氫、天然氣自熱重整制氫、天然氣催化裂解制氫和等離子體重整制氫等，其中天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)發(fā)展較為成熟，應(yīng)用較為廣泛。目前，全球大規(guī)模制氫主要方式包括化石燃料制氫、電解水制氫等?；茉粗茪浼s占90%的份額，其中天然氣制氫約占48%[18]，而電解水制氫約占4%。天然氣制氫在環(huán)保、投資和能耗等方面具備綜合優(yōu)勢(shì)，是歐美國(guó)家的主流制氫方式。天然氣在中國(guó)一次能源中的占比逐年增加，將作為清潔能源發(fā)揮支撐作用。未來(lái)，天然氣制氫支撐氫能發(fā)展，將是向“綠色氫能”轉(zhuǎn)變的主要過(guò)渡方式。

圖3 天然氣制氫發(fā)電技術(shù)路徑Fig.3 Technological path of hydrogen production and power generation from natural gas

天然氣蒸汽重整制氫技術(shù)發(fā)展較為成熟，但二氧化碳排放較大。因此，在天然氣制氫發(fā)電技術(shù)路徑中，本文設(shè)計(jì)了二氧化碳捕集回收再利用技術(shù)路徑，如圖4所示。該路徑利用可再生能源電力，將二氧化碳、綠電以及化工合成耦合，制取高附加值產(chǎn)品。二氧化碳捕集利用技術(shù)路徑，主要有兩種方式：“可再生能源發(fā)電+固體氧化物電解池+甲烷化”協(xié)同，以及“可再生能源發(fā)電+固體氧化物電解池+甲醇合成”協(xié)同[13,19]。利用綠電，將二氧化碳甲烷化反應(yīng)產(chǎn)生的大量高溫水蒸汽，作為固體氧化物電解池原料，通過(guò)電解高溫水蒸氣制取氫氣；再與二氧化碳通過(guò)甲烷化反應(yīng)合成天然氣，可形成閉環(huán)，以減少二氧化碳排放。與此類似，同時(shí)電解高溫水蒸氣和二氧化碳，可得到合成氣，然后通過(guò)合成反應(yīng)得到甲醇或油品。

圖4 天然氣制氫+二氧化碳捕集利用技術(shù)路徑Fig.4 Technology path of hydrogen production from natural gas + carbon dioxide capture and utilization

2.3 氫氣轉(zhuǎn)化利用技術(shù)路徑

氫氣轉(zhuǎn)化利用技術(shù)路徑如圖5所示，以氫氣為主線，通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化將氫能轉(zhuǎn)化為電（氫氣燃燒發(fā)電和燃料電池發(fā)電）和將氫氣轉(zhuǎn)化為天然氣。該路徑關(guān)鍵技術(shù)主要包括：氫燃料電池發(fā)電技術(shù)、氫氣燃燒發(fā)電技術(shù)及甲烷化技術(shù)等。

圖5 氫氣轉(zhuǎn)化利用技術(shù)路徑Fig.5 Technology path of hydrogen conversion and utilization

2.3.1 氫燃料電池發(fā)電技術(shù)

氫能有多種利用方式，燃料電池被認(rèn)為是利用氫氣的最佳方式之一，燃料電池與傳統(tǒng)分布式能源對(duì)比見(jiàn)表1[20]。

表1 燃料電池與傳統(tǒng)分布式能源對(duì)比Table 1 Comparison between fuel cell and traditional distributed energy

燃料電池不經(jīng)過(guò)燃燒燃料，是一種以電化學(xué)反應(yīng)方式，將燃料化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置；具有效率高、污染低、噪聲小、模塊化以及電力質(zhì)量好等特點(diǎn)，是理想的分布式能源[21]。與該領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家相比，中國(guó)在燃料電池關(guān)鍵技術(shù)方面的研究與應(yīng)用還存在一定差距，主要體現(xiàn)在電堆技術(shù)性能、關(guān)鍵材料技術(shù)以及市場(chǎng)化程度[20,22]，詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外燃料電池關(guān)鍵技術(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of key technologies of fuel cells at home and abroad

2.3.2 氫氣燃燒發(fā)電技術(shù)

氫氣燃燒發(fā)電主要包括混氫燃燒發(fā)電和純氫燃燒發(fā)電。在現(xiàn)有天然氣燃燒發(fā)電中混合一定氫氣，可以實(shí)現(xiàn)燃料的充分燃燒，并滿足低污染的排放標(biāo)準(zhǔn)。然而目前國(guó)內(nèi)天然氣混氫燃燒的案例不多，其商業(yè)價(jià)值有待進(jìn)一步開發(fā)。純氫燃燒發(fā)電技術(shù)目前處于研究和小規(guī)模試驗(yàn)階段。

2.3.3 甲烷化技術(shù)

可再生能源發(fā)電、電解水制氫有望為二氧化碳化學(xué)轉(zhuǎn)化和利用提供新的解決方案。甲烷化技術(shù)的主要原理是，借助催化劑作用將氫氣與一氧化碳或二氧化碳轉(zhuǎn)化為天然氣[23]。該技術(shù)需要大量廉價(jià)的氫氣，而氫氣可以考慮利用過(guò)剩的電力，如光電、風(fēng)電、水電和核電等制取。將排放的二氧化碳與可再生能源制取的氫氣進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，不僅實(shí)現(xiàn)了可再生能源的儲(chǔ)能，還實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的循環(huán)利用，減少了碳排放[24-25]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了構(gòu)建中國(guó)“天然氣＋氫能”雙清潔低碳能源體系初步框架，以天然氣和氫能兩種清潔能源為主線，將電能、天然氣和氫能有機(jī)結(jié)合起來(lái)，互為依托和補(bǔ)充。同時(shí)引入風(fēng)、光和水等可再生能源和二氧化碳作為輸入要素，對(duì)外輸出電能、天然氣和氫能等綠色能源和綠色化工產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)體系框架內(nèi)電能、天然氣和氫能之間3類主要轉(zhuǎn)化技術(shù)路徑進(jìn)行分析，認(rèn)為：（1）可再生能源電解水技術(shù)路徑是“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系最重要、最具潛力的核心路徑之一，是未來(lái)清潔能源發(fā)展的主要技術(shù)方向。（2）新型天然氣發(fā)電與制氫技術(shù)路徑，以天然氣為能源和資源基礎(chǔ)，通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化獲得氫氣和電力，是構(gòu)建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系重要的技術(shù)路徑，并且能夠進(jìn)一步拓展天然氣的利用途徑，提高利用效率。（3）氫氣轉(zhuǎn)化利用技術(shù)路徑，是實(shí)現(xiàn)清潔能源社會(huì)的終極目標(biāo)。以氫氣為原料和燃料，構(gòu)建燃燒發(fā)電、燃料電池發(fā)電以及合成天然氣等化工產(chǎn)品，最終實(shí)現(xiàn)綠色能源和綠色化工。