“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系构建和技术路径选择

侯建国，姚辉超，王秀林，张　瑜，宋鹏飞，张雨晴，隋依言，穆祥宇

摘要：中国首次发布氢能产业中长期规划，明确了氢能在能源体系中的重要地位，而“双碳”目标指明了能源结构的转型方向，这一系列重大举措将会积极推动能源结构向清洁低碳发展。天然气具有清洁低碳优势，氢能具有清洁高效特质，未来发展潜力巨大。探讨了如何利用现有天然气资源及其基础设施支持氢能产业的发展，提出构建“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系的设想；分析了3类主要能源，电能、天然气和氢能之间相互转化依托的技术路径及其中的主要技术，指出应重点发展可再生能源电解水制氢和电解二氧化碳技术，耦合天然气制氢与CCUS协同发展。本工作可为构建清洁、低碳、安全和高效的能源体系提供参考。

关键词：天然气；氢能；双清洁低碳能源体系；可再生能源；二氧化碳利用

       全球能源结构持续向低碳清洁化方向发展，氢能具有低碳清洁、比能量密度大和转化效率高等优点，在能源转型中备受瞩目。据本文初步统计，截至2022年初，欧美日韩等经济发达体纷纷出台了国家级氢能产业战略规划或发展目标，世界氢能产业发展路径日渐清晰。2022年3月，中国国家发改委正式发布氢能产业中长期规划，明确指出氢能是国家未来能源体系的重要组成部分，是战略性新兴产业，是未来产业重点发展方向，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。氢能是二次能源，通过燃烧和燃料电池等利用方式生成水，有利于实现低碳甚至零碳排放，是能源、工业、交通和建筑等产业迈向低碳化的有效路径，将能有效缓解温室效应和环境污染。然而，氢能产业刚刚起步，面临众多挑战，比如核心技术有待突破、制储运氢成本较高、配套基础设施缺乏和安全性尚待完善等。

       在较长时期内，天然气作为清洁低碳能源，在我国能源结构中仍占有重要地位。天然气产业发展过程中也存在一些制约因素，比如沿海地区的天然气消费市场亟需开拓、消费结构亟需调整。同时，天然气消费水平明显偏低，且供应能力存在阶段性、区域性富余，天然气基础设施季节性使用率偏低，限制了天然气产业健康发展。为培育氢能产业，并进一步拓展天然气消费市场，考虑利用现有天然气管道网络混输一定比例氢气，以降低氢储运成本。利用天然气管网分布广的优势，在一定范围内试行近用户式的小规模分散制氢（如橇装式天然气制氢），可大大节省运输成本或降低用氢成本，提高用氢安全。已有学者研究了此类问题，张福东等提出了天然气和氢能产业融合发展思路，建议国内油气公司从上、中、下游3个方面对氢和天然气产业链进行融合发展；曹蕃等讨论了可再生能源与综合能源服务园区耦合氢能发展的具体技术路径。但相关文献对“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系的报道很少。

       本文利用现有技术，结合可再生能源发展和二氧化碳高效利用，探讨构建“天然气＋氢能”双清洁低碳能源体系技术路径的可行性，以期为进一步降低氢能储运成本、拓展天然气消费市场，以及完善我国清洁能源发展路径提供借鉴和参考。

1 “天然气+氢能”双清洁低碳能源体系的构建

       本文提出初步构建的“天然气＋氢能”双清洁低碳能源体系，其主要结构如图1所示。该体系以天然气和氢气两种清洁能源作为主线，将电能、天然气和氢能有机结合起来，将一次能源天然气和二次能源电能贯通起来，互为依托和补充；同时引入风、光和水等可再生能源和二氧化碳为输入要素，对外输出“电能、天然气和氢能”，并进一步拓展生产用于合成甲醇等绿色化工产品的合成气。该体系优势明显，既能充分利用风能、光能和水能等可再生能源，通过电解水制氢方法，利用氢气将电能储存起来，在一定程度上解决储能难题；同时，还可消纳剩余的电能，通过固体氧化物电解池等高效储能技术，将二氧化碳直接电解为一氧化碳，成为绿色化工合成的原料。随着科学技术进步，双清洁低碳能源体系将会逐渐完善起来，为建立清洁低碳的社会服务。

       以上所构建双清洁低碳能源体系内部电能、天然气和氢能等不同能流之间，可通过不同技术路径实现转化，根据对不同能源种类的需求，进行相应比例清洁能源输出。此外，该体系可以消纳自身环节产生的二氧化碳，实现二氧化碳零排放。在体系框架内，电能、天然气和氢能之间的转化主要通过以下3类技术路径（可再生能源电解制氢、天然气制氢发电技术和氢气转化利用技术）实现。

2 “天然气+氢能”体系技术路径的选择

2.1 可再生能源电解制氢技术路径

       电解水制氢技术路径如图2所示，主要利用风光等可再生能源产生的电能，电解水制取氢气、电解二氧化碳制备一氧化碳等。该路径涉及的关键技术主要有：风光等可再生能源发电、电解水制氢、电解二氧化碳以及氢气和一氧化碳甲烷化制天然气。可再生能源电解技术路径是“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系最重要、最具潜力的核心路径之一。利用可再生能源产生的电力，电解水制氢被认为是实现“绿氢”的最优途径之一。此外，采用固体氧化物电解池可以将二氧化碳电解成一氧化碳。氢气和一氧化碳还可以进一步通过甲烷化技术转化为天然气。

       目前，通过可再生能源发电制取“绿氢”的技术路线主要有碱性电解池、质子交换膜（PEM）电解池和固体氧化物（SOEC）电解池等。各技术根据不同特点，与可再生能源结合的应用领域有所差异。碱性电解池技术成熟、设备国产化程度高且成本低，已经实现大规模工业应用。单槽电解制氢产量较大、易于实现大规模应用，但实际电能消耗较大、适合于有稳定电源且装机规模较大的电力系统；此外，该技术产生腐蚀液体，后期运维复杂、成本高。PEM电解制氢的优点是无腐蚀性液体、运行灵活简单、效率较高、运维成本低、占地面积小、对间歇性电源适应性好以及能够以较低功率保持待机；缺点是设备成本较高，在技术成熟度、装置规模、使用寿命以及经济性等方面不佳，较国际先进水平存在较大差距。

       SOEC电解池技术的电耗低于碱性电解池和PEM电解技术，但只适合高温环境，如产生高温、高压蒸汽的光热发电系统等。此外，SOEC电解池还可以用于电解二氧化碳。2006年，美国Idaho国家实验室首次发现，阴极上水和二氧化碳混合气体共电解可生成氢气和一氧化碳，该技术迅速成为能源领域的研究热点。SOEC电解池技术直接电解二氧化碳为一氧化碳，而一氧化碳作为合成气原料能够很好与绿色化工结合。目前SOEC电解技术尚未广泛商业化，国内仅完成了实验室的验证示范。随着可再生能源发电成本不断降低，电解水制氢效率大幅提升，其成本也大幅降低。考虑碳税等因素，绿氢、绿电的经济性不断提高，结合可再生能源在中国能源结构占比的增加趋势，双清洁低碳能源体系势必大大推动清洁能源体系的发展。

2.2 天然气制氢发电技术路径

       天然气制氢发电技术路径如图3所示，以天然气为能源和资源基础，通过化学转化获得氢气和电力，是构建“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系的重要技术路径。天然气发电技术成熟，已获得广泛应用，本文不再详述。天然气制氢技术主要包括天然气蒸汽重整制氢、天然气部分氧化制氢、天然气自热重整制氢、天然气催化裂解制氢和等离子体重整制氢等，其中天然气蒸汽重整制氢技术发展较为成熟，应用较为广泛。目前，全球大规模制氢主要方式包括化石燃料制氢、电解水制氢等。化石能源制氢约占90%的份额，其中天然气制氢约占48%，而电解水制氢约占4%。天然气制氢在环保、投资和能耗等方面具备综合优势，是欧美国家的主流制氢方式。天然气在中国一次能源中的占比逐年增加，将作为清洁能源发挥支撑作用。未来，天然气制氢支撑氢能发展，将是向“绿色氢能”转变的主要过渡方式。

       天然气蒸汽重整制氢技术发展较为成熟，但二氧化碳排放较大。因此，在天然气制氢发电技术路径中，本文设计了二氧化碳捕集回收再利用技术路径，如图4所示。该路径利用可再生能源电力，将二氧化碳、绿电以及化工合成耦合，制取高附加值产品。二氧化碳捕集利用技术路径，主要有两种方式：“可再生能源发电+固体氧化物电解池+甲烷化”协同，以及“可再生能源发电+固体氧化物电解池+甲醇合成”协同。利用绿电，将二氧化碳甲烷化反应产生的大量高温水蒸汽，作为固体氧化物电解池原料，通过电解高温水蒸气制取氢气；再与二氧化碳通过甲烷化反应合成天然气，可形成闭环，以减少二氧化碳排放。与此类似，同时电解高温水蒸气和二氧化碳，可得到合成气，然后通过合成反应得到甲醇或油品。

2.3 氢气转化利用技术路径

       氢气转化利用技术路径如图5所示，以氢气为主线，通过化学转化将氢能转化为电（氢气燃烧发电和燃料电池发电）和将氢气转化为天然气。该路径关键技术主要包括：氢燃料电池发电技术、氢气燃烧发电技术及甲烷化技术等。

2.3.1 氢燃料电池发电技术

       氢能有多种利用方式，燃料电池被认为是利用氢气的最佳方式之一，燃料电池与传统分布式能源对比见表1。

       燃料电池不经过燃烧燃料，是一种以电化学反应方式，将燃料化学能直接转化为电能的高效发电装置；具有效率高、污染低、噪声小、模块化以及电力质量好等特点，是理想的分布式能源。与该领域技术领先国家相比，中国在燃料电池关键技术方面的研究与应用还存在一定差距，主要体现在电堆技术性能、关键材料技术以及市场化程度，详细对比见表2。

2.3.2 氢气燃烧发电技术

       氢气燃烧发电主要包括混氢燃烧发电和纯氢燃烧发电。在现有天然气燃烧发电中混合一定氢气，可以实现燃料的充分燃烧，并满足低污染的排放标准。然而目前国内天然气混氢燃烧的案例不多，其商业价值有待进一步开发。纯氢燃烧发电技术目前处于研究和小规模试验阶段。

2.3.3 甲烷化技术

       可再生能源发电、电解水制氢有望为二氧化碳化学转化和利用提供新的解决方案。甲烷化技术的主要原理是，借助催化剂作用将氢气与一氧化碳或二氧化碳转化为天然气。该技术需要大量廉价的氢气，而氢气可以考虑利用过剩的电力，如光电、风电、水电和核电等制取。将排放的二氧化碳与可再生能源制取的氢气进行甲烷化反应，不仅实现了可再生能源的储能，还实现了二氧化碳的循环利用，减少了碳排放。

3 结语

       本文提出了构建中国“天然气＋氢能”双清洁低碳能源体系初步框架，以天然气和氢能两种清洁能源为主线，将电能、天然气和氢能有机结合起来，互为依托和补充。同时引入风、光和水等可再生能源和二氧化碳作为输入要素，对外输出电能、天然气和氢能等绿色能源和绿色化工产品。通过对体系框架内电能、天然气和氢能之间3类主要转化技术路径进行分析，认为：（1）可再生能源电解水技术路径是“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系最重要、最具潜力的核心路径之一，是未来清洁能源发展的主要技术方向。（2）新型天然气发电与制氢技术路径，以天然气为能源和资源基础，通过化学转化获得氢气和电力，是构建“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系重要的技术路径，并且能够进一步拓展天然气的利用途径，提高利用效率。（3）氢气转化利用技术路径，是实现清洁能源社会的终极目标。以氢气为原料和燃料，构建燃烧发电、燃料电池发电以及合成天然气等化工产品，最终实现绿色能源和绿色化工。

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