“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系構建和技術路徑選擇

侯建國(guó)，姚輝超，王秀林，張　瑜，宋鵬飛(fēi)，張雨晴，隋依言，穆祥宇

摘要：中國首次發布氫能産業中長期規劃，明確瞭氫能在能源體系中的重要地位，而“雙碳”目标指明瞭能源結構的轉型方向，這一系列重大舉措将會積極推動能源結構向清潔低碳發展。天然氣具有清潔低碳優勢，氫能具有清潔高效特質，未來發展潛力巨大。探讨瞭如何利用現有天然氣資源及其基礎設施支持氫能産業的發展，提出構建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的設想；分析瞭3類主要能源，電能、天然氣和氫能之間相互轉化依托的技術路徑及其中的主要技術，指出應重點發展可再生能源電解水制氫和電解二氧化碳技術，耦合天然氣制氫與CCUS協同發展。本工作可爲構建清潔、低碳、安全和高效的能源體系提供參考。

關鍵詞：天然氣；氫能；雙清潔低碳能源體系；可再生能源；二氧化碳利用

       全球能源結構持續向低碳清潔化方向發展，氫能具有低碳清潔、比能量密度大和轉化效率高等優點，在能源轉型中備受矚目。據本文初步統計，截至2022年初，歐美日韓等經濟發達體紛紛出台瞭(le)國家級氫能産業戰略規劃或發展目标，世界氫能産業發展路徑日漸清晰。2022年3月，中國國家發改委正式發布氫能産業中長期規劃，明確指出氫能是國家未來能源體系的重要組成部分，是戰略性新興産業，是未來産業重點發展方向，是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體。氫能是二次能源，通過燃燒和燃料電池等利用方式生成水，有利於(yú)實現低碳甚至零碳排放，是能源、工業、交通和建築等産業邁向低碳化的有效路徑，将能有效緩解溫室效應和環境污染。然而，氫能産業剛剛起步，面臨衆多挑戰，比如核心技術有待突破、制儲運氫成本較高、配套基礎設施缺乏和安全性尚待完善等。

       在較長時期内，天然氣作爲清潔低碳能源，在我國能源結構中仍占有重要地位。天然氣産業發展過程中也存在一些制約因素，比如沿海地區的天然氣消費市場亟需開拓、消費結構亟需調整。同時，天然氣消費水平明顯偏低，且供應能力存在階段性、區域性富餘，天然氣基礎設施季節性使用率偏低，限制瞭(le)天然氣産業健康發展。爲培育氫能産業，並(bìng)進一步拓展天然氣消費市場，考慮利用現有天然氣管道網絡混輸一定比例氫氣，以降低氫儲運成本。利用天然氣管網分布廣的優勢，在一定範圍内試行近用戶式的小規模分散制氫（如橇裝式天然氣制氫），可大大節省運輸成本或降低用氫成本，提高用氫安全。已有學者研究瞭(le)此類問題，張福東等提出瞭(le)天然氣和氫能産業融合發展思路，建議國内油氣公司從上、中、下遊3個方面對氫和天然氣産業鏈進行融合發展；曹蕃等讨論瞭(le)可再生能源與綜合能源服務園區耦合氫能發展的具體技術路徑。但相關文獻對“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的報道很少。

       本文利用現有技術，結合可再生能源發展和二氧化碳高效利用，探讨構建“天然氣＋氫能”雙清潔低碳能源體系技術路徑的可行性，以期爲進一步降低氫能儲運成本、拓展天然氣消費市場(chǎng)，以及完善我國清潔能源發展路徑提供借鑒和參(cān)考。

1 “天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的構建

       本文提出初步構建的“天然氣＋氫能”雙清潔低碳能源體系，其主要結構如圖1所示。該體系以天然氣和氫氣兩種清潔能源作爲主線，将電能、天然氣和氫能有機結合起來，将一次能源天然氣和二次能源電能貫通起來，互爲依托和補充；同時引入風、光和水等可再生能源和二氧化碳爲輸入要素，對外輸出“電能、天然氣和氫能”，並(bìng)進一步拓展生産用於合成甲醇等綠色化工産品的合成氣。該體系優勢明顯，既能充分利用風能、光能和水能等可再生能源，通過電解水制氫方法，利用氫氣将電能儲存起來，在一定程度上解決儲能難題；同時，還可消納剩餘的電能，通過固體氧化物電解池等高效儲能技術，将二氧化碳直接電解爲一氧化碳，成爲綠色化工合成的原料。随著(zhe)科學技術進步，雙清潔低碳能源體系将會逐漸完善起來，爲建立清潔低碳的社會服務。

       以上所構建雙清潔低碳能源體系内部電(diàn)能、天然氣和氫能等不同能流之間，可通過不同技術路徑實現轉化，根據對不同能源種類的需求，進行相應比例清潔能源輸出。此外，該體系可以消納自身環節産(chǎn)生的二氧化碳，實現二氧化碳零排放。在體系框架内，電(diàn)能、天然氣和氫能之間的轉化主要通過以下3類技術路徑（可再生能源電(diàn)解制氫、天然氣制氫發電(diàn)技術和氫氣轉化利用技術）實現。

2 “天然氣+氫能”體系技術路徑的選擇

2.1 可再生能源電解制氫技術路徑

       電解水制氫技術路徑如圖2所示，主要利用風光等可再生能源産生的電能，電解水制取氫氣、電解二氧化碳制備(bèi)一氧化碳等。該路徑涉及的關鍵技術主要有：風光等可再生能源發電、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。可再生能源電解技術路徑是“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。利用可再生能源産生的電力，電解水制氫被認爲是實現“綠氫”的最優途徑之一。此外，採(cǎi)用固體氧化物電解池可以将二氧化碳電解成一氧化碳。氫氣和一氧化碳還可以進一步通過甲烷化技術轉化爲天然氣。

       目前，通過可再生能源發電制取“綠氫”的技術路線主要有堿性電解池、質子交換膜（PEM）電解池和固體氧化物（SOEC）電解池等。各技術根據不同特點，與可再生能源結合的應用領域有所差異。堿性電解池技術成熟、設備(bèi)國産化程度高且成本低，已經實現大規模工業應用。單槽電解制氫産量較大、易於(yú)實現大規模應用，但實際電能消耗較大、适合於(yú)有穩定電源且裝機規模較大的電力系統；此外，該技術産生腐蝕液體，後期運維複雜、成本高。PEM電解制氫的優點是無腐蝕性液體、運行靈活簡單、效率較高、運維成本低、占地面積小、對間歇性電源适應性好以及能夠以較低功率保持待機；缺點是設備(bèi)成本較高，在技術成熟度、裝置規模、使用壽命以及經濟性等方面不佳，較國際先進水平存在較大差距。

       SOEC電解池技術的電耗低於堿性電解池和PEM電解技術，但隻适合高溫環境，如産生高溫、高壓蒸汽的光熱發電系統等。此外，SOEC電解池還可以用於電解二氧化碳。2006年，美國Idaho國家實驗室首次發現，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，該技術迅速成爲能源領域的研究熱點。SOEC電解池技術直接電解二氧化碳爲一氧化碳，而一氧化碳作爲合成氣原料能夠很好與綠色化工結合。目前SOEC電解技術尚未廣泛商業化，國内僅完成瞭(le)實驗室的驗證示範。随著(zhe)可再生能源發電成本不斷降低，電解水制氫效率大幅提升，其成本也大幅降低。考慮碳稅等因素，綠氫、綠電的經濟性不斷提高，結合可再生能源在中國能源結構占比的增加趨勢，雙清潔低碳能源體系勢必大大推動清潔能源體系的發展。

2.2 天然氣制氫發電技術路徑

       天然氣制氫發電技術路徑如圖3所示，以天然氣爲能源和資源基礎，通過化學轉化獲得氫氣和電力，是構建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的重要技術路徑。天然氣發電技術成熟，已獲得廣泛應用，本文不再詳述。天然氣制氫技術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發展較爲成熟，應用較爲廣泛。目前，全球大規模制氫主要方式包括化石燃料制氫、電解水制氫等。化石能源制氫約占90%的份額，其中天然氣制氫約占48%，而電解水制氫約占4%。天然氣制氫在環保、投資和能耗等方面具備(bèi)綜合優勢，是歐美國家的主流制氫方式。天然氣在中國一次能源中的占比逐年增加，将作爲清潔能源發揮支撐作用。未來，天然氣制氫支撐氫能發展，将是向“綠色氫能”轉變(biàn)的主要過渡方式。

       天然氣蒸汽重整制氫技術發展較爲成熟，但二氧化碳排放較大。因此，在天然氣制氫發電技術路徑中，本文設計瞭(le)二氧化碳捕集回收再利用技術路徑，如圖4所示。該路徑利用可再生能源電力，将二氧化碳、綠電以及化工合成耦合，制取高附加值産品。二氧化碳捕集利用技術路徑，主要有兩種方式：“可再生能源發電+固體氧化物電解池+甲烷化”協同，以及“可再生能源發電+固體氧化物電解池+甲醇合成”協同。利用綠電，将二氧化碳甲烷化反應産生的大量高溫水蒸汽，作爲固體氧化物電解池原料，通過電解高溫水蒸氣制取氫氣；再與二氧化碳通過甲烷化反應合成天然氣，可形成閉(bì)環，以減少二氧化碳排放。與此類似，同時電解高溫水蒸氣和二氧化碳，可得到合成氣，然後通過合成反應得到甲醇或油品。

2.3 氫氣轉化利用技術路徑

       氫氣轉化利用技術路徑如圖5所示，以氫氣爲主線，通過化學轉化将氫能轉化爲電(diàn)（氫氣燃燒發(fā)電(diàn)和燃料電(diàn)池發(fā)電(diàn)）和将氫氣轉化爲天然氣。該路徑關鍵技術主要包括：氫燃料電(diàn)池發(fā)電(diàn)技術、氫氣燃燒發(fā)電(diàn)技術及甲烷化技術等。

2.3.1 氫燃料電(diàn)池發(fā)電(diàn)技術

       氫能有多種利用方式，燃料電(diàn)池被認爲是利用氫氣的最佳方式之一，燃料電(diàn)池與傳(chuán)統分布式能源對比見表1。

       燃料電池不經過燃燒燃料，是一種以電化學反應方式，将燃料化學能直接轉化爲電能的高效發電裝置；具有效率高、污染低、噪聲小、模塊化以及電力質量好等特點(diǎn)，是理想的分布式能源。與該領域技術領先國家相比，中國在燃料電池關鍵技術方面的研究與應用還存在一定差距，主要體現在電堆技術性能、關鍵材料技術以及市場(chǎng)化程度，詳細對比見表2。

2.3.2 氫氣燃燒發(fā)電(diàn)技術

       氫氣燃燒發電主要包括混氫燃燒發電和純氫燃燒發電。在現有天然氣燃燒發電中混合一定氫氣，可以實現燃料的充分燃燒，並(bìng)滿足低污染的排放标準。然而目前國内天然氣混氫燃燒的案例不多，其商業價值有待進一步開發。純氫燃燒發電技術目前處於(yú)研究和小規模試驗階段。

2.3.3 甲烷化技術

       可再生能源發電、電解水制氫有望爲二氧化碳化學轉化和利用提供新的解決方案。甲烷化技術的主要原理是，借助催化劑作用将氫氣與一氧化碳或二氧化碳轉化爲天然氣。該技術需要大量廉價的氫氣，而氫氣可以考慮利用過剩的電力，如光電、風電、水電和核電等制取。将排放的二氧化碳與可再生能源制取的氫氣進行甲烷化反應，不僅實現瞭(le)可再生能源的儲(chǔ)能，還實現瞭(le)二氧化碳的循環利用，減少瞭(le)碳排放。

3 結語

       本文提出瞭(le)構建中國“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爲主線，将電能、天然氣和氫能有機結合起來，互爲依托和補充。同時引入風、光和水等可再生能源和二氧化碳作爲輸入要素，對外輸出電能、天然氣和氫能等綠色能源和綠色化工産品。通過對體系框架内電能、天然氣和氫能之間3類主要轉化技術路徑進行分析，認爲：（1）可再生能源電解水技術路徑是“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，是未來清潔能源發展的主要技術方向。（2）新型天然氣發電與制氫技術路徑，以天然氣爲能源和資源基礎，通過化學轉化獲得氫氣和電力，是構建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系重要的技術路徑，並(bìng)且能夠進一步拓展天然氣的利用途徑，提高利用效率。（3）氫氣轉化利用技術路徑，是實現清潔能源社會的終極目标。以氫氣爲原料和燃料，構建燃燒發電、燃料電池發電以及合成天然氣等化工産品，最終實現綠色能源和綠色化工。

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