作者：曹权，王洪建，吴荣，张扬，王建国，福鹏
第一作者单位：北京市煤气热力工程设计院有限公司
摘自《煤气与热力》2023年11月刊
曹权，王洪建，吴荣，等. 氢能供热技术发展现状与分析［J］. 煤气与热力，2023，43（11）：A28-A32.1 概述
当前我国城镇供热的能源主要为煤炭、天然气等化石能源，热电厂和锅炉房是主要的热源［1］。2019年，我国北方城镇供热碳排放达到5.5×108 t，占全社会一次能耗排放的4.1%［2］。双碳目标的提出给供热领域带来了新的挑战，也促进了我国清洁供热产业的大发展。截至2021年，北方地区清洁供热面积达225×108 m2，清洁供热率达到了70%，基本实现了《北方地区冬季清洁取暖规划（2017—2021年）》的发展目标［1］。目前的清洁供热实现了煤炭与天然气的清洁高效利用，但仍然排放了大量的二氧化碳，按照目前的发展趋势，难以在供热领域实现双碳目标，因此需要寻求一种零碳的清洁能源，来应对供热领域低碳化转型的挑战。
氢能是一种清洁、零碳的二次能源，可大规模储存和运输。氢能供热已成为众多国家应对气候变化、实现双碳目标的重要选择。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分。2021年我国氢气产量约3 300×104 t，居全球第一［3］。预计到2030年，中国氢气年需求量将达3 500×104 t，预计到2050年，氢在我国终端能源体系中占比至少10%［4］。据国际氢能委员会预测，到2050年，氢能供热将在目前使用天然气供热的地区开展规模化应用，在全球建筑供暖领域中，氢气需求量将达到4 000×104 t［5］。氢能可以多种方式应用于供热领域。2022年10月，北京市人民政府印发的《北京市碳达峰实施方案》指出，禁止新建和扩建燃气独立供暖系统，全面布局新能源和可再生能源供热。2022年10月，北京市海淀区公布的“2023年可再生能源供热领域市政府固定资产投资资金需求项目”中，包含氢能供热项目。本文介绍氢能供热技术原理与分类，总结国内外氢能供热的发展现状，对比各类氢能供热方式的关键技术指标，梳理氢能供热技术攻关的重点任务与发展建议，研究结果可为相关热力、燃气、电力、能源等企业发展氢能供热提供技术参考。
2 氢能供热技术原理与分类
氢能供热是指热源直接或间接利用氢气，将其转化为符合供热系统参数要求含能形态的技术。可直接将氢气作为燃料进行掺混利用或单独利用，也可将氢气与氮气合成氨气、与二氧化碳合成甲醇或甲烷进行利用。
氢能供热系统的热源按照系统形式分类，可分为热电厂（掺氢/纯氢燃气轮机）、锅炉房（燃煤掺氨锅炉、燃气掺氢锅炉）等集中供热方式，以及家用氢燃料电池（固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池）热电联供、家用纯氢锅炉（或纯氢锅炉与空气源热泵相结合）、掺氢燃气供暖热水炉、掺氢燃气热水器等分布式供热方式。
3 国内外氢能供热发展现状
发展氢能和燃料电池已成为许多国家的战略选择，截至2021年底，日本、韩国、德国、美国等超过20个国家和地区都已制定氢能发展战略［6］，并对氢能供热进行了探索和实践。美国、欧盟和日本等国家和地区的相关企业已经在掺氢燃气、掺氨燃煤、纯氢锅炉供热以及氢燃料电池热电联供等方面开展了一系列的实践应用。
3.1 美国
美国积极推动氢能供热技术的研究与示范。2022年9月，美国能源部发布了《能源部国家清洁氢战略和路线图》草案，以确保开发和采用清洁氢气作为有效的脱碳工具。目前，美国政府对天然气掺氢和氢燃料电池热电联供项目提供了大量资金支持，以促进该领域的快速发展。2020年11月，美国开展了HyBlend项目，该项目将石油加工制得的氢气注入天然气管道中，与天然气掺混形成掺氢天然气，用于满足终端用户的供暖和发电需求，最高掺氢比（指氢气体积分数）为30%。乔治亚州电力公司实现了掺氢比为20%的燃气轮机的正常运行，运行结果显示，与天然气相比，碳排放减少了约7%。2022年5月，卡特彼勒公司宣布了将在明尼苏达州启动氢燃料的热电联供（CHP）系统示范项目，该项目由美国能源部和国家可再生能源实验室提供支持和部分资金，氢燃料电池产生的电力和热量将供应明尼苏达州圣保罗市中心及邻近地区的建筑和独栋住宅。
3.2 欧洲
欧洲在氢能供热方面已开展一系列项目示范，其中家用纯氢锅炉已在荷兰、英国等地开展应用示范，燃料电池热电联供已进入商业应用阶段。2021年11月，欧盟委员会酝酿出台新的居民供暖锅炉技术标准，拟全面推行“至少混合20%”氢气的供热锅炉，甚至计划“在2030年全面禁止化石燃料供热锅炉设备”［7］。英国是欧洲国家中最早开始实施氢能供热的国家，2019年，英国开展了H21氢供暖项目，该项目拟将天然气重整所制得的氢气以体积分数20%的比例掺入天然气供暖管网，供应利兹市的终端供暖用户［7］。从2026年开始，英国将正式启用氢能供暖。英国利兹市计划从2028年开始，对居民供暖管网基础设施进行氢配套改造，替代居民供暖、工业和发电的全部天然气需求［7］。荷兰BDR Therme公司已在洛赫姆12个家庭住宅中启动纯氢锅炉供热测试，此外，该公司还开发了纯氢锅炉与空气源热泵相结合的混合供暖系统。
在燃料电池热电联供方面，欧洲通过callux、ene.field、PACE、KFW433等项目已实现燃料电池热电联供系统（简称FC-CHP）产品的示范试验和市场化初步探索，进入商业应用阶段，目前多款产品面向市场销售。截至2021年，欧洲已经部署逾3×104套FC-CHP，并计划2040年前部署250×104 套［8］。欧洲主要的氢能供热项目见表1。
日本海啸地震多发，能源资源短缺，日本政府主要将氢气作为发电燃料应用。作为全球小型热电联供的最大市场，日本通过ENE-FARM项目，在燃料电池热电联供领域走在了世界的前列，实现了大规模的商业化推广应用。ENE-FARM项目由燃气公司主导销售，电器和关键技术公司负责产品的研发集成，采用固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）双技术路线。ENE-FARM项目2005年开始实施，2009年开始商业化，在2005—2016年，主流装机是PEMFC，自2017年开始，新增燃料电池几乎全部为SOFC。截至2021年，日本燃料电池家用热电联供系统已售出逾42.4×104台，计划在2030年达到530×104台，相当于日本家庭总数的10%［14］。日本斗山恒能公司正在与韩国机械研究院共同执行国策课题“用于300 MW级氢燃气轮机的50%氢混烧环保燃烧器的开发”，于2022年8月进行氢燃气轮机燃烧器掺氢比30%氢混烧试验获得成功，之后将进行掺氢比50%氢混烧试验。日本的电力公司JERA计划在2030年前关闭所有的燃煤发电厂，并在2040年前将氨燃烧技术引入到燃煤发电厂中。JERA和IHI公司还将联合研发适用于1 000 MW级燃煤电厂的20%氨混燃技术。其中，JERA公司主要负责采购氨和相关建造，IHI公司则主要负责改进燃烧器。我国的氢能供热产业尚处于初步探索阶段，已经开展了一系列课题研究与示范验证。在掺氢燃气锅炉、掺氨燃煤锅炉、掺氢燃气轮机等集中供热领域已完成了多项示范项目建设。国内具有代表性的氢能集中供热示范项目见表2。表2中第5个项目掺混比指氨的热量占氨、煤总热量的比例（简称热量比），其余均为氢气体积分数。在政策的推动下，我国以燃料电池热电联供为代表的分布式氢能供热示范项目已有序展开，在全国范围内开展了多处热电联供示范项目。山东“氢进万家”科技示范工程，旨在打造“4个氢能园区、5个氢能社区”。项目覆盖济南、淄博、潍坊、青岛，已落地1.2×104套燃料电池热电联供系统。目前4个氢能园区的选址和方案设计已完成，正在选址氢能社区，将采用纯氢、天然气掺氢等方式，利用社区楼宇用热电联供系统为家庭生活供电供热［15］。2021年11月，全国首座氢能进万家智慧能源示范社区项目在佛山市投运，已安装4台440 kW商用燃料电池热电联供设备，将继续安装家用燃料电池热电联供设备394套，以推动佛山市氢进万家［16］。由于氢气体积热值约为天然气的1/3，导致天然气掺混氢气后，终端燃具的燃烧工况发生改变，进而影响燃具的燃烧性能。根据GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》，以我国目前使用的12T基准气为衡量标准，按甲烷掺混氢气计算，掺氢比小于29.1%时满足12T基准气的互换要求。国内外相关学者已对终端利用可接受的掺氢比开展了一系列的理论与实验研究，结果表明在不进行改造的情况下，燃气热水器与燃气供暖热水炉可接受的掺氢比为20%［17-21］。结合国内外氢能供热技术的发展现状，按照不同的供热形式与热源类型，对氢能供热技术进行分类，对比分析了应用场景、技术成熟度等，见表3，其中，第3种供热技术掺混比指热量比，其余均为氢气体积分数。氢能集中供热可以大幅降低供热碳排放量，实现电能、氢能、热能等多能耦合，还可以降低NOx等污染物的排放。氢能分布式供暖的燃料电池热电联供系统具有能量转化效率高、低温可快速启动、热辐射低、环境友好、噪声小、适应不同热功率要求、减少污染物与碳排放等优势，家用纯氢锅炉、掺氢燃气供暖热水炉和掺氢燃气热水器有火焰稳定、热效率高，扩展天然气的稳定熄燃极限，减少污染物与碳排放等优势。①国内外已积极开展多项氢能集中供热的示范项目。燃料电池热电联产等分布式氢能供热系统在美国、欧洲、日本等发达国家和地区已实现商业化应用，但我国还并未实现大规模推广应用。②氢能供热可以大幅降低供热行业的碳排放量和NOx等污染物的排放量，实现电能、氢能、热能的多能耦合。③发展氢能供热符合我国能源系统深度脱碳的要求，可以有效提高我国供热领域的能效，有利于保障国家的能源安全。①制定氢能供热专项规划。《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》明确了氢能的战略地位，提出开展掺氢天然气管道试点示范，因地制宜布局氢燃料电池分布式热电联供设施。这在顶层设计上指明了氢能供热的方向，但尚缺乏氢能供热的专项规划。氢能供热产业的发展事关我国供热领域双碳目标的实现，应制定符合我国国情的氢能供热产业发展路径与实施方案，推动氢能供热领域的重点任务与技术攻关，重点规划氢能供热的应用场景，建立氢能供热的补贴政策，打通覆盖制氢-储运-利用-运营的氢能供热全产业。②构建符合我国国情的氢能供热安全监管、技术与运营管理标准体系。国内氢能供热的标准基本处于空白状态，应当协同行业优势力量建立和完善全方位、系统化的氢能供热标准体系，理清标准化工作的重点。应以需求为导向，加快制定氢能供热的国家和行业标准体系，包括氢燃料锅炉、燃料电池热电联供系统等供热系统的技术标准、工艺标准、安全标准等，保障氢能供热产业健康安全有序发展。③加强氢能供热安全检测能力和保障技术。氢气相对分子质量小，无色无味，一旦发生泄漏，逸散速度极快且不易被察觉。应对氢能供热应用场景下氢气泄漏风险、火灾危险、燃爆危险、安全防控手段开展研究，建立氢能供热产业的安全监管体系。④加大对氢能供热的补贴政策及金融支持。目前我国氢能来源主要以煤制氢为主，利用可再生能源发电进行电解水制氢可得到清洁的绿氢，但是成本较高，因此利用绿氢进行氢能供热目前不具有经济可行性。绿氢价格与燃料电池制造成本下降是未来氢能供热规模化发展的必然要求，因此需要加大氢能供热产业链的补贴政策与金融支持，为氢能供热的市场拓展空间。［ 1 ］张佳思，周春. 我国清洁供热产业发展现状与趋势研究［J］. 中国能源，2022（5）：40-46.［ 2 ］周宏春. 中国清洁供热产业发展报告2021［M］. 北京：中国经济出版社，2021：33-34.［ 3 ］李凤，董绍华，陈林，等. 掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展［J］. 力学与实践，2023（2）：230-244.［ 4 ］舟丹. 我国氢能产业发展前景［J］. 中外能源，2022（11）：9.［ 5 ］潘志丽. 国际氢能委员会：2050年全球清洁氢终端需求［J］. 世界石油工业，2022（1）：82-83.［ 6 ］舟丹. 国外氢能产业化发展现状［J］. 中外能源，2022（11）：92.［ 7 ］李丽旻. 氢能供热在欧洲行得通吗?［N］. 中国能源报，2021-12-06（6）.［ 8 ］斯里尼瓦桑 珊，周希舟，张东杰. 欧洲氢能发展现状前景及对中国的启示［J］. 国际石油经济，2019（4）：18-23.［ 9 ］仲冰，张学秀，张博，等. 我国天然气掺氢产业发展研究［J］. 中国工程科学，2022（3）：100-107.［10］李琳红，郑淑晶，陈吉升，等. 中国氢能供热行业发展战略研究［J］. 热力发电，2022（11）：56-64.［11］任若轩，游双矫，朱新宇，等. 天然气掺氢输送技术发展现状及前景［J］. 油气与新能源，2021（4）：26-32.［12］谢萍，伍奕，李长俊，等. 混氢天然气管道输送技术研究进展［J］. 油气储运，2021（4）：361-370.［14］钟财富. 国内外分布式燃料电池发电应用现状及前景分析［J］. 中国能源，2021（2）：34-37，73.［15］高亚，孙龙龙. 山东省氢能港口产业发展对策研究［J］. 中国科技产业，2023（7）：56-59.［16］王子缘，赵吉诗，龚娟，等. 广东省氢能与燃料电池汽车产业发展现状分析［J］. 广东科技，2022（6）：82-86.［18］ZHAO Y. Influence of Hydrogen Addition to Pipeline Natural Gas on the Combustion Performance of a Cooktop Burner［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44：12239-12253.［19］ZHAO Y. Investigation of Visible Light Emission from Hydrogen-Air Research Flames［J］. International Journal of Hydrogen Energy，2019，44：22347-22354.［20］罗子萱，徐华池，袁满. 天然气掺混氢气在家用燃气具上燃烧的安全性及排放性能测试与评价［J］. 石油与天然气化工，2019（2）：50-56.［21］马向阳，黄小美，吴嫦. 天然气掺氢对家用燃气灶燃烧特性的影响研究［J］. 可再生能源，2018（12）：1746-1751.维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
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