来源 |《现代化工》2022年第9期
作者 | 张超，宋鹏飞，侯建国，王秀林
摘要：碳中和将大力推动我国可再生能源和氢能产业的发展，未来高比例可再生能源下，氢能将在储能、连通传统能源与新能源等方面发挥重要的枢纽作用。利用天然气产业已有的基础设施优势，把氢能产业与天然气产业深度融合，会产生新的发展模式。站在天然气产业的角度，分析了未来天然气在能源转型中的作用，提出与氢能产业在上、中、下游典型的九种融合模式，对未来新发展模式提出了展望和建议。
1 天然气与氢能产业融合创新能探索出适合国情的新型能源体系新模式
氢能将成为高比例可再生能源消纳、储能、融入能源体系的重要工具，是联通可再生能源和传统能源的关键枢纽，在全球能源转型中扮演着重要角色，在我国双碳目标下天然气产业转型中将发挥重要作用。天然气与氢气有着天然的联系，天然气的主要成分甲烷（CH4）是含氢量最高的烃类。全球超过50%的氢气来自天然气制氢，在欧美这一比例更是高达90%以上。天然气和氢气都属于清洁、高效、环保的气态能源，运输、储存和使用过程不仅具有类似性，一些场景下还能混输混用，相互转化、互为补充。因此，天然气相比其他能源与氢能产业更贴近。把拥有巨量、成熟基础设施和消费群体的天然气产业与方兴未艾的氢能产业融合创新，能够探索出适用于未来我国碳达峰、碳中和场景下的新型能源体系新模式。双碳目标提出后，中国成为全球范围内减排承诺力度最大、面临挑战最艰巨和时间窗口最紧迫的国家之一。要达成双碳目标就需要把目前以化石能源为主的一次能源结构转型为以非化石能源为主，努力构建“减煤、稳油、增气、发展新能源”协同，清洁低碳转型和安全供应保障并举的现代能源体系，对以煤炭为禀赋主体、规模如此庞大的我国能源和经济结构提出了巨大挑战。2020年我国二氧化碳排放总量近99亿t，占世界二氧化碳排放总量319.83亿t的30.9%，超过90%的碳排放来自于一次能源。实现碳达峰、碳中和将是我国一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，其中碳达峰之前要以控碳为重点。化石能源是我国能源消费的绝对主体，煤炭又是主体中的主体。推动非化石能源和天然气成为能源消费增量的主体，更大幅度提高清洁能源消费比重是控碳的关键，且增量替代和存量替代要并举。目标2025年把非化石能源消费比重提升至20%左右，2030年则将达到30%左右。碳达峰至碳中和这30年，要推动能源革命性转型，构建以可再生能源为生产主体、电+氢为消费主体的新型低碳能源体系。能源转型过程中，天然气和氢能在不同阶段有不同的角色和定位。两者融合发展有利于发挥天然气的基础设施和消费端优势，氢能的能源枢纽、零碳和高效优势，对于我国天然气产业和氢能产业的高质量发展，降低能源转型的社会成本，推动深度脱碳，构建清洁低碳、安全高效能源体系具有重要意义。2 天然气将在能源转型中发挥重要的桥梁和支撑作用
虽然近年来可再生能源发展十分迅猛，但化石能源仍是保障我国能源安全和经济高速发展的“压舱石”和“稳定器”。天然气是化石能源中最清洁低碳的品类，单位能量产生的二氧化碳不到煤炭的50%。天然气代替煤炭的减排和环保效果明显。“十三五”天然气消费总量约1.35×104亿m3，按等热值换算，相当于替代原煤25.1亿t，减少二氧化碳、二氧化硫、粉尘排放量可达17.9亿t、1.4亿t和12.2亿t。天然气是替代煤炭、快速降低碳排放的最现实的选择，是化石能源向非化石能源过渡的桥梁和支撑。双碳目标的提出对近中期天然气产业的发展是利好的，为“十四五”、“十五五”期间天然气的快速发展提供了难得的窗口期。近年来我国天然气利用结构不断优化，天然气消费基数不断做大，居民“煤改气”、城镇燃气、天然气发电、工业燃料和化工等领域协同发力。2020年，我国天然气消费量3280亿m3，增量约220亿m3，同比增长6.9%，占一次能源消费总量的8.4%，总气化人口4.9亿，但人均天然气消费量仅是世界平均水平的44%，天然气在一次能源消费占比也仅是全球平均水平的36%。近中期我国天然气需求内生增长空间广阔，天然气快速发展的基本面不会改变，天然气消费仍将保持中高速增长。预计“十四五”期间城市燃气需求增长稳健，工业燃料、发电用气、化工用气或将拉动增量。2025年中国天然气需求量将达4.5×1011m3，年均增加约2.5×1010m3。2030年天然气消费规模达到5500亿～6000亿m3，其后天然气消费稳步可持续增长，2040年前后进入发展平台期。气电是未来支撑天然气行业消费量增量的重要力量。气电具有效率高、运行灵活、启停快、建设周期短、占地面积少等优点，同样热值下相比煤炭可减少 45%～55%的二氧化碳排放量，是替代燃煤发电、降低碳排放的重要途径。以美国为例，电力行业2019年二氧化碳排放量较2005 年下降了32%之多，接近三分之二是气电替代煤电的贡献。气电还能够与可再生能源融合互补发展，在未来以可再生能源为主体的新型电力系统中发挥重要的调峰作用，弥补可再生能源的随机性、波动性、间歇性的不足，不仅有利于提高绿色电力在整个电力系统中的比例，而且可再生能源电力占比越高，气电作为灵活调峰电源的作用越大。天然气存在电力不可完全替代的使用领域，比如居民用气、化工原料等。天然气比电更符合中国老百姓烹饪、采暖的用能习惯。天然气化工也有望成为未来我国天然气消费的另一增长点。过去由于气源短缺，天然气化工领域一直被限制。随着未来全球天然气供给的持续宽松，叠加天然气在其他消费领域市场份额受挤占，局部地区可能会出现天然气供大于求的现象，为开展天然气化工提供了条件。天然气化工工艺流程简单，替代石油化工和煤化工也能够有效降低碳排放。近年来我国天然气基础设施建设取得了丰硕成果，“全国一张网”加快推进，互联互通能力明显提升，储气调峰能力进一步增强，产供储销体系建设也日趋完善，初步形成了公平、竞争、开放的天然气市场生态。行业在保持快速增长的同时，立足“双碳”目标和经济社会新形势和新环境，需要统筹发展和安全，加快产供储销能力建设，增强天然气调峰和保供能力，推动天然气对传统高碳化石能源存量替代，探索构建适合于现代能源体系的天然气与氢能产业融合发展的新格局，实现行业高质量发展。3 天然气与氢能产业深度融合的新发展模式
适合于现代能源体系的天然气与氢能产业融合发展模式需要开发思路、大胆创新，把天然气和氢气作为连通传统能源与可再生能源的载体，形成互补、增益、协同的低碳能源互联网络。两个产业都可以分为上、中、下游，在生产、运储、供销与利用等各阶段可以进行融合。天然气与氢能产业融合发展模式见图1。
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图1 天然气产业与氢能产业融合发展模式
3.1 上游融合发展
（1）天然气制氢
天然气可以通过蒸汽重整、自热重整、部分氧化等方式制备氢气，如果耦合碳捕捉和碳封存（CCS）可以把“灰氢”变为“绿氢”，实现天然气产业链向氢能产业链的能量流动。大型天然气制氢技术相对成熟，已经有大量的工业应用。随着氢能产业的快速发展，产生了对更加灵活的小型橇装天然气制氢、微型高度集成家用天然气制氢耦合燃料电池热电联供、社区/商业/建筑用中小型天然气制氢耦合燃料电池热电/冷联供等新的市场需求。以橇装天然气制氢为例，不仅能够满足公路运输标准，实现快速移动、安装、调试和生产，还能以非常小的占地面积实现高效环保制氢，氢气产品纯度≥99.999%，能够满足燃料电池汽车的需求。在加氢站内使用橇装天然气制氢装置能够省去昂贵的氢气运输过程，相比外部运氢成本降低10%～20%，是未来加氢站的发展趋势之一。典型的使用站内橇装天然气制氢的加氢站工艺见图2。![]()
图2 典型的站内橇装天然气制氢的
加氢站
（2）可再生能源绿氢制零碳天然气（PTM）
高比例可再生能源生产系统需要解决波动性和消纳的难题，而随着可再生能源规模的扩大和成本的快速下降，以及碳约束的强化，可以把低成本可再生能源电力制备的绿氢和CO2减排相结合。绿氢与工业捕集的CO2发生甲烷化化学反应生成甲烷产品（E-gas或SNG）。10万kWh的可再生能源可以制备1.8t绿氢，能够生产3.5 t CH4产品，减排9.6 t CO2。PTM可以看作利用可再生能源的“绿色能量”把CO2“嵌入”到产品E-gas中，而E-gas可以与天然气具有同样化学组成和物理属性，可以融入到现有天然气体系中。PTM在消费端燃烧碳释放量等于制备时的吸纳量，整体“净零排放”。“绿氢”和“E-gas”都成为可再生能源的能量载体，实现把“绿色能量”大规模、低成本、安全地输送给市场。E-gas被可再生能源赋能为“零碳天然气”或“碳中和天然气”，成为大规模可再生能源储存、运输、分配和利用的载体，实现零碳交通、零碳供热、零碳天然气化工、零碳天然气电力等（详见图3）。
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图3 PTM连通和融合可再生能源与
天然气基础设施
（3）国际氢供应链与氢贸易
国际氢供应链能为国内的氢供应形成很好的补充，尤其在未来沿海地区氢气需求量大幅增加时，能够有效降低氢气成本，形成大宗氢气供应。国际氢供应链是正在兴起的新型能源贸易品类，发展潜力巨大，但目前还处于萌芽期，仅日本做了小规模的商业化尝试，非常类似于当年全球LNG产业的初期。国际氢供应链和氢贸易和LNG供应链和国际贸易很类似（见图4），相关经验可以借鉴和甚至直接移植。![]()
图4 国际氢供应链
氢气的资源和市场与LNG类似，出口国主要是有大量天然气和可再生能源资源的国家，出口目的地主要是欧洲、日本、韩国和中国等。大宗氢气消费是拉动氢气消费量和国际氢供应的关键驱动力。大宗氢气的需求和消费才能有效驱动国际氢供应体系的市场化运行，提高运输规模和贸易量的同时，规模效应才能大幅降低氢气成本。3.2 中游融合发展
（1）天然气管道掺氢输送
向已有的天然气管道设施中掺氢，是氢能发展前期降低氢气运输成本的有效解决方案之一，尤其适用于区域性、点对点的中低压掺输。这也为传统油气公司提供了参与氢能产业、打造新的效益增长点提供了宝贵的战略机遇。多个欧美国家正在研究在不调整现有天然气管道设施的情况下，向管道中掺入氢气的混输试验和示范。如欧盟NaturalHy项目、荷兰VG2和Sustainable Ameland项目、德国DVG项目、美国能源部国家燃料电池研究中心HIGG研究项目、法国GRHYD项目、英国Hydeploy项目和H21 Leeds City Gate项目等。如果天然气管道掺氢后，输送至用氢市场把氢气和天然气分离，最好是分离后的天然气不再重新增压注回管道，这样有望使氢气的运输成本低至2.1～9.1元/kgH2，大大低于高压管束车运输、有机物载体、液氢等运输方式，将大幅提高氢能源的竞争力。如果分离出的天然气需要重新增压注回管道，氢气的运输成本仍会很高，不建议采用这种方式掺输。（2）LNG接收站兼顾接收氢气
氢气的国际供应链也需要优质的沿海岸线、航道、站场等资源，市场端最好贴近沿海，这与我国LNG产业布局和天然气消费市场契合。可考虑依托已建LNG接收站的码头和场地，探索接卸LNG和氢气双功能，尝试在我国开展进口氢气业务，研究和布局氢气大宗国际贸易。3.3 下游融合发展
（1）掺氢燃气轮机发电
三菱日立、GE、西门子等主流燃气轮机制造商都在大力发展掺氢和氢燃气轮机技术。所有化石燃料中，天然气掺氢燃烧产生的碳排放量最低，10%（体积分数，下同）掺氢联合循环燃气电厂的碳排放量约为同等规模燃煤电厂的40%，且能实现更低的汞、氮氧化物、硫化物、颗粒物等污染物的排放。掺氢燃气轮机还是未来氢气大宗消费的主要方式，据三菱日立测算，一个使用纯氢燃料的400MW的燃气轮机运行一年消耗的氢气量，相当于200万辆燃料电池汽车的用氢量。在未来碳减排压力渐增和氢气成本降低的共同促进下，氢气燃气轮机发电有望在未来低碳社会中扮演重要角色。预计2060年我国氢燃料发电装机将达0.25TW，成为电源侧重要的灵活性电源之一。但掺氢燃气轮机发电还存在一些难题需要解决。比如由于氢气和甲烷在物理特性与化学属性上的差异，掺氢后会对燃烧系统的燃料量、火焰速度、喷射势能、点火浓度、材料抗腐蚀性等产生一系列影响，带来回火、自燃、燃烧振荡等问题。（2）气-氢综合能源加注站
加氢站是支撑氢能在交通领域应用的关键基础设施。在已有LNG/CNG加注网络中扩展，建成气-氢综合能源加注站，有利于降低加氢站基础设施投资。尤其在下游燃料电池汽车尚未大规模发展的现况下，可以“以气养氢”实现过渡。（3）以天然气为原料的燃料电池分布式热电联供
以天然气为原料的燃料电池分布式供能已经成为分布式能源发展的新趋势之一。目前应用较多的是小微型天然气制氢与质子交换膜燃料电池（PEFC）耦合的方式。PEFC可以在室温下工作，反应温度适合副产60～80℃的热水，尤其适用于家用小微型热电联供。但PEFC对燃料的要求很苛刻，需要使用＞99.999%的高纯度氢气，对CO的容忍度更是低于1.0×10-5，否则就会对Pt/C催化剂造成伤害，因此需要复杂的燃料处理系统，且要求高度集成以减少体积才能适合家用（图5）。![]()
图5 天然气制氢与PEFC结合供能技术工艺流程示意图
该技术路线的规模放大，使其能够满足区域性热电需求。以韩国斗山公司的460kW装置为例，把天然气经过重整制氢和纯化后进入PEFC，发电效率约43%，整体热电总效率达90%，具有静音、环保、高效、橇装、建造迅速和移动方便等优点，寿命达到20年。（4）天然气+高温燃料电池
高温燃料电池反应温度更高、不需要贵金属催化剂、对燃料适应范围更广、余热温度高、静音且无NOx产生排放，尤其适合于贴近用户的热电联供应用场景。如天然气+溶融炭酸盐燃料电池（MCFC），可以省去了天然气制氢、CO变换、氢气提纯等过程，工艺流程更为简化，产生的600～700℃高温余热回收价值高。但也正是因为反应温度高，使其启动时间长，不便于频繁启停，更适用于建造区域性大、中型热电站。美国Fuel Cell Energy公司的MCFC产品单级发电效率约47%，串联发电效率约60%，考虑热量利用的整体效率可达70%～80%。高温燃料电池中能量密度最高、最具发展潜力的当属固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC），近年来技术进步迅速，成本进入快速下降通道。SOFC发电系统可以应用在固定式发电（图6）、融合燃气轮机发电、家用热电联供、交通动力等很多场景，不同应用场景下匹配的发电规模也不同。![]()
图6 典型以天然气为原料的SOFC系统流程图
SOFC 发电的排气温度较高，具有较高的热能利用价值，能够和燃气轮机组成混合分布式发电系统，发电效率可以高达60%以上，环保效益显著，尤其适用于分布式发电和供暖（见图7）。![]()
图7 典型SOFC-MGT顶层循环模式
SOFC具有高效、环保、静音的优点，发电规模可以根据实际需求模块化定制，使其可以方便地安装在商业、工作、休闲、住宅等区域，尤其适合于楼宇、商场、酒店、医院、学校、社区和家庭等场所使用。目前氢能源车普遍采用质子交换膜燃料电池（PEFC），PEFC要求氢气纯度＞99.999%，对CO等杂质含量要求极高，需要新增大量的制氢、氢运输和加氢基础设施投入，也带来了氢气安全隐患。而如果车船动力选用SOFC作为动力，能够直接使用天然气或LNG为燃料，依托目前成熟的LNG/天然气配送和加注网络就可以实现加注，无需新增基础设施投资，有利于降低成本，节能降耗，减少碳排放。但SOFC的运行温度高，因此启动时间较长。而车船交通对启动时间有较高要求，因此能够快速启动的低温型SOFC以及辅助技术决定了SOFC能否实现在交通领域大规模商业化应用。4 结论与建议
天然气是最低碳的化石能源，基础设施基本完善，在供应端、储运环节和消费端相比其他能源具有独特的比较优势。氢能产业作为融合高碳化石能源和低碳可再生能源的枢纽和桥梁，在上、中、下游都能与天然气产业很好地融合发展。天然气产业与氢能产业融合发展模式包括大、中、小型的天然气制氢，可再生能源绿氢制零碳天然气（PTM）、国际氢供应链与氢贸易、天然气管道掺氢输送、LNG接收站兼顾接收氢气、掺氢燃气轮机发电、气-氢综合能源加注站、以天然气为原料的燃料电池分布式热电联供、天然气+高温燃料电池等。做好两个产业的融合创新可以在平抑新能源大量接入的电网调峰、交通领域低碳化、工业深度脱碳、城市环境污染治理等方面发挥重要作用，也可为可再生能源储能、绿氢应用，碳利用等提供解决方案，对于我国天然气行业和氢能产业的高质量发展，顺利实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。建议站在两个行业战略全局，加大融合关键环节技术的研发和装备国产化，在我国建设一批具有全球影响力的示范项目。
