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摘 要
氢能作为一种可显著减少CO2排放的可持续能源日益受到重视，其应用不仅限于燃料电池 汽车领域，在建筑、工业等行业也有很好的应用潜力。天然气行业势必会受到一定的冲击，同时也伴随着新的发展机遇。本文从氢气制取、输送、应用3个环节简要综述了氢能 技术发展现状，并提出了传统燃气公司在氢能背景下可开展的一些工作，为燃气行业的持 续生存和健康发展提供参考。
1 引言
自上世纪以来，全球CO2排放逐年提高，温室效应日渐加剧。图1示出了一些典型国家和地区的CO2排放情况，显然我国CO2排放量在近20年内迅速增长，2006年超过美国成为世界第一大排放国。寻求低碳类型能源，对缓解全球变暖、保障经济发展，有着重要意义。
氢能来源广泛、适应大规模储存、便于运输且用途广泛。经过几十年的研究，应用端的燃料电池技术（Fuel-cell，FC）有了突破性进展，制氢成本也大幅下降，如今氢能已被视作与化石燃料低碳利用、可再生能源规模化利用并行的3种可持续能源途径之一，在能源转型中的价值日益凸显。据预测：全球将从2030年始大规模利用氢能，2040年氢能可贡献全球 20%的CO2减排量，2050年氢能需求将达到目前的10倍，占终端能源消费量的15%以上。
图1 典型国家/地区的CO2排放量
全球主要发达国家均已对氢能开展研究，并将氢能产业纳入国家发展战略。美国在2002年颁布的《国家氢能路线图》中，详细阐述了氢的制备、储运、转换以及应用等技术，并陆续颁布了一系列政策，启动了多个大型科研计划，以实现化石能源经济向氢能经济的过渡。在欧洲，德国较早推广应用氢能，2011年Greenpeace Energy等能源公司在德国建立了6MW风电-氢示范项目，之后相继推出多个耗资巨大的氢能源计划，以刺激氢能产业发展。日本也较早投入到氢能的发展和利用中，2014年发布的《氢能及燃料电池战略路线图》中明确了2025年、2030年和2040年三阶段的发展目标，2017年发布的《氢能基本战略》在供应和利用等方面提出了具体的发展目标，计划2050年全面普及FC汽车。
近年，我国对氢能发展也给予了高度重视。2016年，国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》中部署了“氢能与FC技术创 新”任务，2019年两会《政府工作报告》的修订方案中指出“推动充电、加氢等设施建设”，2019年发布 的《中国氢能源及FC产业白皮书》提出2050年氢气需求将达到6000万t，加氢站将达到1万座以上，FC汽车产量达到520万辆。
与天然气一样，氢气也是一种气体能源，其发展势必会对传统燃气行业造成一定的冲击，同时也伴随着新的发展机遇。氢能产业链包括制取、输送、应用等环节，不同国家和地区因资源禀赋、产业积累、技术与装备研发等方面的差异，每一环节都有不同的技术路线和设备技术在进行各种示范和探索。本文从上述3个环节对氢能发展现状进行简要综述，并提出燃气公司在此背景下可开展的工作，在“拥抱氢能”的策略下，试图为燃气行业的生存和发展提供思考。
2 制氢技术
氢气可从水、化石燃料等含氢物质中制取，根据来源和制取技术可分为绿氢、蓝氢和灰氢。绿氢由可再生电力或核电生产；蓝氢由煤或天然气等化石燃料制得，副产品CO2利用碳捕获和封存（Carbon capture and storage，CCS）技术处理，从而实现碳中和；灰氢一般由焦炉煤气、氯碱尾气等工业副产气制取，或由未采用CCS技术的化石燃料制氢工艺获得。目前，世界范内工业用氢以灰氢为主，为实现深度脱碳，绿氢是发展的最终目标，但现今大规模部署绿氢的商业案例非常少，尚需相当长的时间来实现技术进步、成本下降。而蓝氢作为灰氢到绿氢的过渡，可促进工业氢经济的关键基础设施和供应链建设，加速氢能产业的发展。
现阶段全球氢气生产几乎全部来自化石能源，其 中48%来自天然气重整，30%来自油部分氧化，18%来自煤气化，仅4%来自电解水，而高温蒸汽电解、人工光合作用、生物制氢等新兴工艺均处于早期发展阶段。各类制氢技术的基本参数见表1。成本上，目前天然气重整方式最低，在美国大型天然气重整制氢成本为0.05欧元/kWh（2欧元/kg H2）。电解制氢成本非常高，伦敦某加氢站氢气成本为0.25欧元/kWh（10欧元/ kg H2）。
表1 制氢技术的基本参数
2.1 化石燃料制氢
利用化石燃料制氢有部分氧化和气化两种技术路径，部分氧化是指燃料不完全燃烧而产生合成气，可用燃料范围广，不需要外部热量输入，反应速度快，但氢气产量低。气化是煤在高温高压下部分燃烧生产 合成气的过程，反应速度快，但固体燃料需要预处理。天然气重整制氢包括转化反应和变换反应，制得的氢气纯度高，工艺流程如图2所示。首先对天然气进行预处理，包括增压、预热和脱硫等环节；然后与蒸汽按一定比例混合，在转化炉中先进入混合气预热盘管，预热到550℃～600℃，再进入转化管，在催化剂层中，进行转化反应CＨ４+H２O→CO+3H２，ΔH=206.1kJ/mol，反应压力约2.5MPa，温度约850℃；余热回收后，在变换反应器中进行变换反应CO+H２O→CO２+H２，ΔH=-41.2kJ/mol，反应压力约 2.5MPa，温度约350℃；变换反应出来的气体经工艺 冷却器冷却后进入装有多种吸附剂的PAS纯化器中进 行氢气提纯，CO、CO２等被吸附；最后通过压缩机加压、充装并储存。转化炉产生的废气进入蒸汽发生 器，生产转化反应用蒸汽；废气再从蒸汽发生器进入空气预热器，预热助燃空气，用于维持转化炉的燃烧 反应温度；最后废气经引风机排至大气。
某气体公司采用该工艺的成套制氢设备性能如下：全年稳定生产情况下，用电150万度，天然气耗 量300万ｍ³ ，制氢量480万ｍ³ ，纯度99.99%。
2.2 电解制氢
水电解产生氢气和氧气是一个电化学反应（式1），负极发生还原反应（式2），正极发生氧化反应（式3）。电解质可以是OH-、H３O+或Ｏ2-。
H２O（1）→H２（g）+0.5O２（g），ΔHr0=+285.8kJ/mol （1）
H２O+2e-→H２+O2-（2）
O2-→0.5Ｏ２+2e- （3）
碱性电解（AEC）以碱性溶液（KOH或NaOH）为电解质，是目前最成熟的电解技术，已投放市场数十年。AEC在常压和有压条件下均可运行，且运行范围较宽，可在20%～100%设计能力下运行，也可过载到150%，这一运行范围使得AEC对于与波动的、间歇式的电力供应相耦合的电转气（Power to Gas, P2G）系统十分有利。AEC使用的电解质具有高腐蚀性，维护成本很高，但较之其他电解制氢技术，AEC初投资较低，约1 000欧元/kW～1 200欧元/kW[18]。
首个商业化聚酯电解质膜电解槽（PEMEC）出现于1978年。PEMEC的主要优点包括冷态启动较快、灵活性高、制得的氢气纯度高、与电力耦合较好，最低的负载率仅5%。由于PEMEC中膜的成本较高，且使用贵金属催化剂，导致其成本较高，初投资约1860欧元/kW～2320欧元/kW。
图2 天然气重整制氢工艺流程
固体氧化物电解（SOEC）是最新研发的电解技术，以涂覆8%Y2O3的ZrO2作电解质，在高温下是强导电的，热稳定性和化学稳定性均较好。高温会降低平衡电池电压，从而降低电力需求，是SOEC最重要的优势。SOEC存在的最大问题是由于高温运行所导致的材料快速老化、长期稳定性受限，并且电解槽的产物是氢气和蒸汽的混合物，需要额外的处理工艺，此外SOEC对于波动的、间歇性的动力源不够稳定。
3 氢气输送
氢气输送方式包括压缩氢气槽车、液化氢气罐车、氢气管网、天然气管网掺氢等方式。
压缩氢气槽车基础设施成本较低，且灵活性强，可停放在加气站为车辆直接加气，降低了现场储存和压缩的需求，在氢能推广的最初阶段十分有利，且在一段时期内会成为偏远地区或低需求地区的最佳选择。但压缩氢气槽车容量小，运输距离短，随着今后需求和运输距离的增加，其经济效益会有所下降。
液化氢气罐车容量较大，在2 000kg～7 500kg之间，且输送距离远，适合国际运输，目前液氢主要用于卡车和船舶等重型运输。
管道输送被认为是大规模氢气运输最有效的方法，在欧洲和北美，已有3 000km的高压氢气管道用于工业生产。但较高的管道建设成本和较低的初始利用率会阻碍其发展。将现有天然气管道全部置换为氢气可解决氢气管道初投资问题，但管道腐蚀性和安全性尚有待验证，目前只有英国考虑这一方案。
将氢气直接注入天然气管网中，可大幅降低运输成本、促进氢能利用，掺混比例取决于相关管理要求和技术成熟度。由GasTerra、Stedin、Kiwa公司合作，在荷兰建立的第一个天然气管网掺氢试点项目Sustainable Ameland于2007年正式投入运营，最高掺混比例达到12%。由法国ADEME机构资助的GRHYD项目于2014年启动，将可再生能源生产的富余电产生的氢气掺混至天然气管网中，供用户使用，掺混比例最高达20%。英国、德国、意大利等国家都已开始天然气掺混氢气的示范工程建设，掺氢比5%～20%不等。若进行大规模天然气管网掺氢，仍有许多问题有待解决。氢气易导致金属材料产生氢脆，当局部氢浓度达到饱和时，材料塑性下降，产生裂纹或断裂；氢气的渗透作用较强，易导致安全事故；燃气组分变化时，燃烧设备易出现燃烧问题，导致设备故障或损坏；由于可再生能源的可变性，生产的氢气量随时间波动，若要保持固定的掺氢比例，还需解决可再生电力或氢气的储存问题，若允许掺氢比例变化，则需解决用户侧的能量计量和收费问题。
4 氢能应用
4.1 交通
传统内燃机（internal combustion engines，ICEs）可改装为纯氢发动机，因价格较低，可比燃料电池汽车（fuel cell electricvehicles，FCEVs）更早投入市场。但与FCEVs相比，纯氢发动机效率低，且在使用过程中会排放NOx，故不会长期使用。与FCEVs竞争的汽车类型有ICEs、电动汽车（battery electric vehiclesBEVs）和插电式混合动力车（plug-in hybri vehiclesPHEVs）。在排放方面，FECVs和BEVs在用户侧可以实现零碳排放和零NOx排放，而ICEs无现；FECVs噪音小、振动轻，其用户体验优于ICEs；BEVs电池寿命受气候、充电情况影响严重，而氢储罐可快速装卸，使用年限较长，不是限制汽车寿命的主要因素；FECVs的续航能力和充装时间与传统汽车接近，优于BEVs；目前与BEVs和ICEs相比，FCEVs初投资和运行费用均较高，但今后随着产量提高，价格有望大幅降低。
许多国家已经将氢FC技术投入到交通行业中，并提出了系列计划，促进氢能在交通领的发展。氢能在美国交通领域应用范围较广，截至2019年12月，美国加州已有超过7000辆FC汽车投入使用，计划于2025年达到4.8万台；2002年，美国Vehicle Projects公司研制了世界上第一列氢FC火车；美国AnheuserBusch InBev公司订购800台FC卡车，于2020年投入使用。韩国、日本等国家在小型乘用车领域大力发展氢能，韩国制定的《氢能经济活性化路线图》中计划到2022年，FC汽车增加至8.1万辆，到2040年，FC汽车累计产量达到620万辆；日本计划到2030年FC汽车达到80万辆。欧洲在交通领域的氢能应用以重型交通工具为主，目前有83辆FC巴士投入运行，2016年法国Alstom公司生产的FC火车投入使用，最高时速可达140km/h，目前在德国境内运行。
4.2 建筑供热
氢能用于建筑供热的方式包括氢气锅炉和FC热电联供（fuel cell-combined heat and power，FCCHP）系统等。现有燃气锅炉只允许掺混少量氢气，若使用纯氢作为燃料，需对装置结构进行大规模改造。FC-CHP系统噪音小、排放少、效率高，是唯一超过全电系统运行效率的CHP系统，并且由于其 电热比很高，非常适用于热负荷低的建筑。各类FCCHP性能参数见表2，其中，质子交换膜燃料电池 （proton exchange membrane fuel cells，PEMFCs）主要 用于民用供暖系统，磷酸燃料电池（phosphoric acid fuel cells，PAFCs）和熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cells，MCFCs）主要用于大型商用供暖系统，固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cells，SOFCs）在民用和商用系统中均可使用。目前FCCHP价格较高，每kW发电量价格在1万美元左右，但在过去10年内，价格已降低了一半左右，且使用寿命也有所增加，预计在2025年~2050年价格降至与其他 供热系统相近水平。
FC-CHP系统主要应用于欧洲和日本等地。欧洲FC和氢能联合组织于2012年～2017年主导开展了Enefield示范项目，耗资5200万欧元，在11个国家资助推广了1046套300W～500W的FC-CHP装置。2017年，该组织又启动了新一期的五年计划——PACE项目，预算为9 000万欧元，计划在11个国家推广2 800套装置。
表2 FC-CHP性能参数表
4.3 工业
在一些高能耗工艺过程中，可用氢气替代天然气作为燃料，对氢气纯度要求并不高，但燃烧器和炉窑需要进行改造或更换，典型应用包括钢铁炼制等。
2019年11月，德国ThyssenKrupp公司在一个钢厂 中，正式启动了以氢气代替煤粉作为高炉还原剂的试验项目。瑞典SSAB公司、Vattenfall公司、LKAB集团于2016年联合开展了HYBRIT项目，用氢气代替传统工艺的煤和焦炭，在较低的温度下对球团矿进行直接还原。目前该项目正处于中试阶段，预计在2025 年～2035年进行示范运行，并于2035年实现商业化运行。2019年，德国Salzgitter公司与Tenova公司联合 开展了SALCOS项目，旨在对原有的高炉-转炉炼钢工艺进行改造，把以高炉为基础的碳密集型炼钢工艺逐步转变为直接还原炼铁-电弧炉工艺，实现以氢气为还原剂炼铁。澳大利亚正在研发一种氢等离子熔融还原技术，以氢气和氩气作为还原剂炼钢，评估表明该技术可使钢铁生产成本降低近20%。
４ 电力生产
氢能发电技术正在逐步发展。燃气轮机可通过结构改造，转变为氢气驱动，但燃烧效率低，难以降低成本，目前使用较少。FC使用灵活，可控性好，易于与需求侧匹配，缓解高峰时段电网压力，且可在小功率下也维持较高性能，极大节省了输送成本和输送过程中的损耗。2010年世界首座氢能发电站在意大利建成投产，年发电量达6000万kWh。2015年全球氢能发电容量达1GW，固定式FC数量以每年25%的速率增长，预计在2030年装机容量达到30GW。
