報(bào)告一：2002-2006年的Naturalhy項(xiàng)目報(bào)告

Naturalhy是一個(gè)綜合項(xiàng)目，該項(xiàng)目由歐盟委員會(huì)通過第六框架計(jì)劃（2002-2006）共同資助。Naturalhy認(rèn)為“將氫作為一種現(xiàn)實(shí)的能源選擇迫在眉睫，必須在現(xiàn)有廣泛的天然氣系統(tǒng)范圍內(nèi)采取切實(shí)可行的策略。這是在未來30至50年內(nèi)在歐洲大規(guī)模推廣氫氣的唯一現(xiàn)實(shí)解決方案。”本次項(xiàng)目的直接目的為：發(fā)現(xiàn)并解決將氫氣逐步引入天然氣網(wǎng)絡(luò)的障礙。

細(xì)分目標(biāo)可以歸納為以下四個(gè)方面：

1、經(jīng)濟(jì)方面，分析過渡性天然氣/氫氣系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響，并將其與當(dāng)前的天然氣及相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行比較，特別是在創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)、維護(hù)、資本投資和總經(jīng)濟(jì)成本方面。

2、技術(shù)方面，對(duì)使用氫技術(shù)過程中的安全性，耐用性和管道完整性的問題將進(jìn)行調(diào)查并開發(fā)出新的設(shè)備。具體的聚焦點(diǎn)為爆炸、老化與修理。

3、法規(guī)方面，評(píng)估有關(guān)氫氣/天然氣混合物的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的現(xiàn)狀，并確定必要的修改并啟動(dòng)所需的更改。

4、決策方面，開發(fā)決策支持工具，以評(píng)估現(xiàn)有天然氣系統(tǒng)（傳輸，存儲(chǔ)，分配，最終用戶基礎(chǔ)設(shè)施和最終用戶設(shè)備）對(duì)氫氣/天然氣混合物的適用性，并開發(fā)模型以確定經(jīng)濟(jì)性。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由39個(gè)合作伙伴組成的國(guó)際財(cái)團(tuán)，由NV Nederlandse Gasunie統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。Gasunie成立于1963年，是荷蘭的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸公司。

由于Naturalhy項(xiàng)目具體的試驗(yàn)場(chǎng)所，手段，具體試驗(yàn)參數(shù)披露較少，并且關(guān)于結(jié)論方面的信息披露的也較為零散和專業(yè)，在本文中先不對(duì)該項(xiàng)目具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做深入討論，只對(duì)部分主要結(jié)論做展示。關(guān)于經(jīng)濟(jì)性方面，Naturalhy評(píng)估了通過富氫天然氣撬動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的可行性。關(guān)于技術(shù)方面，Naturalhy主要披露了天然氣管道的修理方法、爆炸情況。

報(bào)告二：2008-2011年Sustainable Ameland項(xiàng)目報(bào)告

該項(xiàng)目第一次長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試了天然氣摻氫的家用性能。

該項(xiàng)目選擇了風(fēng)景秀麗的旅游小鎮(zhèn)Ameland Nes，通過用同樣材料建設(shè)通富氫天然氣的管道和用來對(duì)比的通純天然氣的管道，以此來研究富氫天然氣對(duì)管道的影響。項(xiàng)目第一年采用外運(yùn)瓶裝的氫氣進(jìn)行混合，此后三年的氫氣來源為試驗(yàn)地附近的太陽能發(fā)電制氫。

報(bào)告三：2013年美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）發(fā)布的《天然氣管道混入氫的關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告》

該報(bào)告為綜述性報(bào)告，總結(jié)了美國(guó)本土天然氣摻氫研究成果，并且也結(jié)合了全球其它重要的研究成果。該報(bào)告由天然氣技術(shù)研究院(GTI)完成，主要提供給NREL。項(xiàng)目也由“美國(guó)能源部的燃料電池技術(shù)項(xiàng)目”資助。該報(bào)告的完成得到了H2Pump LLC，NaturalHy項(xiàng)目，AP公司，Power & Energy Inc和CB&I Lummus Technology的支持。

本篇報(bào)告的數(shù)據(jù)主要來源于：NaturalHy報(bào)告，CTC（Concurrent Technologies Corp. PA, US）報(bào)告，IEA溫室氣體研究項(xiàng)目中的報(bào)告，以及美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)，美國(guó)天然氣基金會(huì)，美國(guó)石油協(xié)會(huì)，Hydrogenics公司，通用汽車公司，Directed Technologies, Inc，Radian International LLC，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局，美國(guó)能源信息管理局，日本能源經(jīng)濟(jì)研究所，歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)，荷蘭GASTEC科技公司，荷蘭EET項(xiàng)目等研究成果。香橙會(huì)研究院從上述三個(gè)報(bào)告中，提煉出凝練出經(jīng)濟(jì)社會(huì)意義、使用安全與管道耐久性以及終端家用情況三大方面結(jié)論分享給讀者。

1.HCNG是打開氫能社會(huì)的一把金鑰匙

由于可再生能源的波段性，區(qū)域局限性，其大規(guī)模使用不得不依賴高效并且靈活的能量存儲(chǔ)載體。同樣的能量，如果采用鹽穴儲(chǔ)氫，其成本比鋰離子電池存儲(chǔ)電能成本低100倍。而如果重新利用天然氣管道運(yùn)輸氫，其能力為電網(wǎng)輸送能力的效率高至少10倍（數(shù)據(jù)來源：歐洲2×40GW項(xiàng)目計(jì)劃）。然而由于下游缺乏對(duì)氫氣的應(yīng)用場(chǎng)景，且應(yīng)用端投資較大，上游便無法大規(guī)模生產(chǎn)氫氣，而這又導(dǎo)致了氫氣價(jià)格居高不下，下游的應(yīng)用則更難推廣。

天然氣摻氫HCNG（hydrogen compressed natural gas）也被稱為Hythan（hydrogen-methane-mixture）。由于其有潛力直接利用天然氣管道，投資少，可以直接接觸到廣泛的消費(fèi)者，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益迅速，并且可以允許一部分的氫含量波動(dòng)（此特點(diǎn)與可再生能源制氫具有間歇性的特點(diǎn)契合），因此被認(rèn)為是撬動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈，解決氫能全產(chǎn)業(yè)面臨的“先有雞還是現(xiàn)有蛋”問題的金鑰匙。

2.氫氣與天然氣基本性質(zhì)比較

首先，從氫和天然氣的基本參數(shù)對(duì)比（表1）可以看出：1、燃燒能量方面：氫氣密度較低，但單位質(zhì)量的燃燒熱遠(yuǎn)大于天然氣（氫約144MJ/kg，天然氣為47.5MJ/kg）。2、燃燒性質(zhì)方面：氫更容易點(diǎn)燃且其火焰速率要遠(yuǎn)快于天然氣。3、安全性方面：雖然氫在PE管道和鐵制管道中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于天然氣5倍左右（表1，2），容易造成泄露，但是其在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)也遠(yuǎn)大于天然氣，這樣便不易造成擴(kuò)散后的聚集，從而降低了危險(xiǎn)性。

表1.天然氣與氫基本參數(shù)對(duì)比（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）

表2. 氫在塑料管的氫和甲烷的滲透系數(shù)（單位10-3×ft3-mil/ft/day/psig）

資料來源：NREL

3.氫脆與泄露不是攔路虎

許多鋼都容易發(fā)生氫脆（如圖1），即材料接觸氫時(shí)，在低于屈服強(qiáng)度的持續(xù)載荷下發(fā)生脆性斷裂。氫濃度和操作壓力是導(dǎo)致氫脆的最關(guān)鍵因素。而如果是使用低強(qiáng)度鋼的管道，其主要的氫損傷是拉伸延性的喪失或起泡，但通常在氫環(huán)境下以延性斷裂而非災(zāi)難性脆性斷裂。氫損傷的嚴(yán)重程度在很大程度上取決于氫濃度和操作壓力。

在中低壓力（290 psig（20 bar））管道系統(tǒng)中，由于管道運(yùn)行抗拉強(qiáng)度相對(duì)于設(shè)計(jì)強(qiáng)度較低，因此對(duì)氫增強(qiáng)裂紋增長(zhǎng)的影響要小得多。在全世界范圍內(nèi)，在壓力低于290 psig （20 bar）的情況下成功運(yùn)輸純氫已有很長(zhǎng)的歷史，在過去的幾十年里沒有出現(xiàn)操作問題。

資料來源：NREL

圖1. 氫脆過程

對(duì)于其他金屬管道，包括球墨鑄鐵、鑄鐵和鍛鐵以及銅管道，在天然氣運(yùn)輸系統(tǒng)的一般操作條件下，不需要擔(dān)心氫損傷。關(guān)于氫老化對(duì)聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）管道材料的影響，也沒有大的擔(dān)憂。大多數(shù)用于天然氣管道系統(tǒng)的彈性體材料也可與氫相兼容。

4.安全性綜合評(píng)估

此處根據(jù)天然氣管道的不同模塊，分開討論HCNG在其中的安全性能。參照美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室技術(shù)報(bào)告對(duì)天然氣管道的分類，天然氣管道可以分為：收集段線路、主干道傳輸線路、主支線傳輸線路和終端服務(wù)分配傳輸線路四大模塊（如圖2）。各環(huán)節(jié)所用材料等在不同地區(qū)都會(huì)有所不同，具體情況還應(yīng)具體處理。此處給出披露的研究結(jié)論作為參考。

資料來源：NREL

圖2.包含收集線路、輸配主干線、分配主線和分配服務(wù)線的天然氣供應(yīng)鏈

在管道的非爆炸安全性質(zhì)方面，我們引用美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室披露的關(guān)于分配主線和終端分配服務(wù)線的結(jié)論。此處安全等級(jí)被分為“嚴(yán)重”“比較嚴(yán)重”“一般”“較低”“低”“無”六個(gè)等級(jí)，表3。

分配系統(tǒng)和輸配主干線之間的一個(gè)重要區(qū)別是相對(duì)于人口密集地區(qū)的位置。在人口稠密的地區(qū)，輸氣管道中可接受的氫氣含量需要來自火災(zāi)或爆炸的頻率和嚴(yán)重程度更多元的評(píng)估。此外，在分配系統(tǒng)中由氣體泄漏引起的危害可能比在傳輸管道中更嚴(yán)重，特別是在封閉的服務(wù)區(qū)（表4，5）。在氫服務(wù)系統(tǒng)下，分配系統(tǒng)的完整性管理可能需要檢漏裝置或監(jiān)測(cè)裝置或傳感器。含氫的傳輸系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用可能會(huì)增加，因?yàn)檫@些系統(tǒng)需要更頻繁地檢查，可能需要額外的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。

研究結(jié)果表明，隨著氫氣含量的增加，分配服務(wù)線的事故嚴(yán)重程度略高于分配干線。這當(dāng)中重要的區(qū)別來自于：位于應(yīng)用終端的服務(wù)管道通常位于密閉空間中，泄漏氣體更容易積聚。

當(dāng)氫氣濃度大于50%時(shí)，分配干線和分配服務(wù)線的事故總體嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)都有一個(gè)比較大的上升。因此控制氫含量低于50%將有小減小整體風(fēng)險(xiǎn)。

表3. 天然氣輸送系統(tǒng)的危害等級(jí)與對(duì)應(yīng)數(shù)值表

4.天然氣管道分配主線中各類事故對(duì)應(yīng)的發(fā)生概率以及含不同比例氫氣時(shí)的嚴(yán)重情況

資料來源：NREL

表5.天然氣管道分配服務(wù)線中各類事故對(duì)應(yīng)的發(fā)生概率以及含不同比例氫氣時(shí)的嚴(yán)重情況

資料來源：NREL

除了上述風(fēng)險(xiǎn)外，HCNG發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)也被評(píng)估。圖2描述了70 bar壓力，914mm 直徑傳輸管道在不同HCNG氫氣含量的情況下，發(fā)生爆炸，出現(xiàn)人員死亡的可能性曲線圖?？梢娙司嚯x管道超過400米絕對(duì)安全。圖3則描述了不同管徑大小發(fā)生爆炸而每年造成人員死亡的可能性。

值得注意的是，在圖中研究的這些情況下，純天然氣的殺傷范圍會(huì)更大，但是近距離的殺傷力較低。這里重要的原因是氫混合物的更快速的分散，這導(dǎo)致在更短的距離內(nèi)濃度更低，因此在危險(xiǎn)距離的遠(yuǎn)端降低了風(fēng)險(xiǎn)。雖然濃度整體較低，但是由于氫混合物的能量密度較高，距離爆炸點(diǎn)非常近的危險(xiǎn)性比純天然氣高。

資料來源：Naturalhy

圖3. 個(gè)人每年的風(fēng)險(xiǎn)是與管道距離的函數(shù)

顯示的風(fēng)險(xiǎn)是個(gè)體風(fēng)險(xiǎn):一個(gè)人在某一年成為死亡的可能性。

資料來源：Naturalhy

圖4.向天然氣管道中添加氫氣每年給個(gè)人帶來的風(fēng)險(xiǎn)

顯示的風(fēng)險(xiǎn)是個(gè)體風(fēng)險(xiǎn):一個(gè)人在某一年成為死亡的可能性。

5.家用端使用情況及示范運(yùn)行方法簡(jiǎn)述

上文美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室報(bào)告總結(jié)了氫在管道中運(yùn)輸?shù)那闆r。為家用供火的實(shí)用研究也已經(jīng)完成，此處以荷蘭Nes小鎮(zhèn)項(xiàng)目為代表。其結(jié)果顯示在通入不到20%氫氣的情況下，使用的任何環(huán)節(jié)都沒有發(fā)現(xiàn)問題。

荷蘭瓦登海島阿默蘭島上的小鎮(zhèn)Nes上進(jìn)行的HCNG家用項(xiàng)目是一項(xiàng)為期4年（2008-2011）的實(shí)地測(cè)試項(xiàng)目。該項(xiàng)目在向當(dāng)?shù)毓?yīng)14套公寓的天然氣分銷網(wǎng)絡(luò)中添加了5-20%的氫氣（圖5，表6）。

資料來源：IGRC 2011報(bào)告

圖5.氫氣比例（%，周均比例）

表6. HCNG中氫氣的比例（%，年均比例）資料來源：IGRC 2011報(bào)告

介于本次示范項(xiàng)目意義較大，且官方披露了較為詳細(xì)的示范運(yùn)營(yíng)方法，在此我們對(duì)本次運(yùn)營(yíng)的方法進(jìn)行簡(jiǎn)述：

首先、該項(xiàng)目選擇了一個(gè)好的地點(diǎn)：埃姆蘭島。埃姆蘭島有幾個(gè)比較獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1、公寓位于城鎮(zhèn)的外圍，能夠控制燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)的隔離，并為氫供應(yīng)和混合提供空間。2、是一個(gè)著名的旅游景點(diǎn)。每年約有50萬來自世界各地的游客，有非常好的社會(huì)效益。

第二、該項(xiàng)目構(gòu)建了一個(gè)防止事故的安全體系。1、此地的天然氣調(diào)壓站、低壓裝置、爆炸安全、分區(qū)、通風(fēng)、防雷和防火等標(biāo)準(zhǔn)得到檢查。2、氫氣天然氣攪拌機(jī)的安裝、煤氣柵和家用煤氣的安裝都經(jīng)過廣泛的維修和檢查。3、這些公寓配備了安全傳感器，用于檢測(cè)煤氣泄漏和一氧化碳。4、對(duì)雇員、居民和當(dāng)?shù)叵狸?duì)進(jìn)行了有關(guān)氫氣特性和控制的培訓(xùn)。

第三、具備及時(shí)切斷氫氣供應(yīng)的能力。一旦出現(xiàn)電力故障或氫氣供應(yīng)故障，氫氣注入就會(huì)停止，而天然氣注入則會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。

第四、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的摻氫過程。2007年12月到2018年12月，HCNG中的氫氣來自于氫氣瓶。2008年12月之后氫供應(yīng)從氫瓶轉(zhuǎn)換到現(xiàn)場(chǎng)電解生產(chǎn)。氫氣發(fā)電所需的電力來自附近的“知識(shí)與創(chuàng)新中心”新大樓的太陽能電池板。

第五、除了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，還增加了參考網(wǎng)絡(luò)。這些類似的網(wǎng)格只是為了這個(gè)項(xiàng)目而建造的。網(wǎng)格是由同一批零件組成的。網(wǎng)格包含用于測(cè)試的干線、接頭、服務(wù)省長(zhǎng)和煤氣表的不同材料。所選組件通常用于荷蘭的燃?xì)夤艿馈?/span>

第六、參與測(cè)試的烹飪器是全新的并且具提前進(jìn)行了測(cè)試。在此之前，所有的燃?xì)馄骶叨纪ㄟ^測(cè)試含30%氫氣的氣體來進(jìn)行安全測(cè)試。這10%的安全余量用于克服攪拌器的動(dòng)態(tài)特性（超調(diào)）。新的烹飪器具和鍋爐被安裝，因?yàn)楝F(xiàn)有的器具的壽命幾乎到了盡頭。

第七、調(diào)研最終用戶的意見并積極推廣。問卷定期在“Noorderlicht”小區(qū)居民中發(fā)放。國(guó)家地理頻道的“綠色夢(mèng)想?yún)^(qū)”電視節(jié)目讓小學(xué)生和高中生了解了氫經(jīng)濟(jì)的重要性。此步驟保證了群眾基礎(chǔ)。該項(xiàng)目的最終結(jié)果顯示，四年之后：測(cè)試段的被檢測(cè)管道材料的最重要的性能在暴露于富氫天然氣沒有顯示出任何影響；沒有嚴(yán)重的泄露和滲透高的情況出現(xiàn)，也沒有因此導(dǎo)致任何安全問題；沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關(guān)的管道材料缺陷。除了管材本身，接頭和配件，如如橡膠軟管、調(diào)控器、煤氣表都沒有表現(xiàn)出不良影響。

在鍋爐器具的點(diǎn)火、回火、泄露、火焰穩(wěn)定性試驗(yàn)同樣全部通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

鍋爐控制單元的存儲(chǔ)器被讀出。沒有氫相關(guān)的故障記錄。目視檢查包括燃燒器、點(diǎn)火裝置、火焰電離檢測(cè)器、熱交換器、氣閥、冷凝水排放、配件和密封件，沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關(guān)的缺陷或污染。

總結(jié)

美國(guó)國(guó)家可再生實(shí)驗(yàn)室對(duì)天然氣摻氫在管道中的研究進(jìn)行了總結(jié)，概述了不同壓力、不同氫氣含量對(duì)應(yīng)不同管材的影響。這對(duì)實(shí)際中控制HCNG的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)以及后續(xù)HCNG研究思路都起到了重要的指導(dǎo)作用。終端端方面，荷蘭Nes小鎮(zhèn)項(xiàng)目在四年時(shí)間中沒有出現(xiàn)任何因?yàn)闅浼尤氲教烊粴夤艿篮笠鸬漠惓?。該?xiàng)目所在地Nes也是一個(gè)旅游勝地，此項(xiàng)目也得到了廣泛社會(huì)傳播。

從國(guó)際領(lǐng)先的動(dòng)態(tài)來看，目前所缺乏的是HCNG在工業(yè)中的應(yīng)用研究，以及接近商業(yè)推廣的摸索。

由于HCNG具備投資成本低，接觸終端客戶多，經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生快，并且可以允許一定范圍的氫含量波動(dòng)的特點(diǎn)，其示技術(shù)方面的問題解決后，相信商業(yè)化推廣會(huì)相對(duì)容易。其很有可能成為較早產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值的氫能領(lǐng)域。