天然气掺氢20年试验 全球3大权威报告给出了5点结论

天然气掺氢相关应用技术在2000年之后开始被深入研究。其中有部分研究成果被公开。香橙会研究院选取全球有代表性的三份研究报告，帮助中国行业揭开天然气掺氢应用性质的面纱。

（来源：微信公众号“香橙会研究院” ID：xch-club 作者：张宇）

3份报告介绍

报告一：2002-2006年的Naturalhy项目报告

Naturalhy是一个综合项目，该项目由欧盟委员会通过第六框架计划（2002-2006）共同资助。Naturalhy认为“将氢作为一种现实的能源选择迫在眉睫，必须在现有广泛的天然气系统范围内采取切实可行的策略。这是在未来30至50年内在欧洲大规模推广氢气的唯一现实解决方案。”本次项目的直接目的为：发现并解决将氢气逐步引入天然气网络的障碍。

细分目标可以归纳为以下四个方面：

1、经济方面，分析过渡性天然气/氢气系统的社会经济影响，并将其与当前的天然气及相关系统进行比较，特别是在创造就业机会、维护、资本投资和总经济成本方面。

2、技术方面，对使用氢技术过程中的安全性，耐用性和管道完整性的问题将进行调查并开发出新的设备。具体的聚焦点为爆炸、老化与修理。

3、法规方面，评估有关氢气/天然气混合物的标准和法规的现状，并确定必要的修改并启动所需的更改。

4、决策方面，开发决策支持工具，以评估现有天然气系统（传输，存储，分配，最终用户基础设施和最终用户设备）对氢气/天然气混合物的适用性，并开发模型以确定经济性。

项目团队由39个合作伙伴组成的国际财团，由NV Nederlandse Gasunie统筹协调。Gasunie成立于1963年，是荷兰的天然气基础设施和运输公司。

由于Naturalhy项目具体的试验场所，手段，具体试验参数披露较少，并且关于结论方面的信息披露的也较为零散和专业，在本文中先不对该项目具体的试验数据做深入讨论，只对部分主要结论做展示。关于经济性方面，Naturalhy评估了通过富氢天然气撬动氢能产业链的可行性。关于技术方面，Naturalhy主要披露了天然气管道的修理方法、爆炸情况。

报告二：2008-2011年Sustainable Ameland项目报告

该项目第一次长时间测试了天然气掺氢的家用性能。

该项目选择了风景秀丽的旅游小镇Ameland Nes，通过用同样材料建设通富氢天然气的管道和用来对比的通纯天然气的管道，以此来研究富氢天然气对管道的影响。项目第一年采用外运瓶装的氢气进行混合，此后三年的氢气来源为试验地附近的太阳能发电制氢。

报告三：2013年美国国家可再生能源实验室（NREL）发布的《天然气管道混入氢的关键技术报告》

该报告为综述性报告，总结了美国本土天然气掺氢研究成果，并且也结合了全球其它重要的研究成果。该报告由天然气技术研究院(GTI)完成，主要提供给NREL。项目也由“美国能源部的燃料电池技术项目”资助。该报告的完成得到了H2Pump LLC，NaturalHy项目，AP公司，Power & Energy Inc和CB&I Lummus Technology的支持。

本篇报告的数据主要来源于：NaturalHy报告，CTC（Concurrent Technologies Corp. PA, US）报告，IEA温室气体研究项目中的报告，以及美国机械工程师协会，美国天然气基金会，美国石油协会，Hydrogenics公司，通用汽车公司，Directed Technologies, Inc，Radian International LLC，美国环境保护局，美国能源信息管理局，日本能源经济研究所，欧洲工业气体协会，荷兰GASTEC科技公司，荷兰EET项目等研究成果。香橙会研究院从上述三个报告中，提炼出凝练出经济社会意义、使用安全与管道耐久性以及终端家用情况三大方面结论分享给读者。

1.HCNG是打开氢能社会的一把金钥匙

由于可再生能源的波段性，区域局限性，其大规模使用不得不依赖高效并且灵活的能量存储载体。同样的能量，如果采用盐穴储氢，其成本比锂离子电池存储电能成本低100倍。而如果重新利用天然气管道运输氢，其能力为电网输送能力的效率高至少10倍（数据来源：欧洲2×40GW项目计划）。然而由于下游缺乏对氢气的应用场景，且应用端投资较大，上游便无法大规模生产氢气，而这又导致了氢气价格居高不下，下游的应用则更难推广。

天然气掺氢HCNG（hydrogen compressed natural gas）也被称为Hythan（hydrogen-methane-mixture）。由于其有潜力直接利用天然气管道，投资少，可以直接接触到广泛的消费者，产生经济效益迅速，并且可以允许一部分的氢含量波动（此特点与可再生能源制氢具有间歇性的特点契合），因此被认为是撬动氢能产业链，解决氢能全产业面临的“先有鸡还是现有蛋”问题的金钥匙。

2.氢气与天然气基本性质比较

首先，从氢和天然气的基本参数对比（表1）可以看出：1、燃烧能量方面：氢气密度较低，但单位质量的燃烧热远大于天然气（氢约144MJ/kg，天然气为47.5MJ/kg）。2、燃烧性质方面：氢更容易点燃且其火焰速率要远快于天然气。3、安全性方面：虽然氢在PE管道和铁制管道中的扩散系数远高于天然气5倍左右（表1，2），容易造成泄露，但是其在空气中的扩散系数也远大于天然气，这样便不易造成扩散后的聚集，从而降低了危险性。

表1.天然气与氢基本参数对比（标准大气压下）

表2. 氢在塑料管的氢和甲烷的渗透系数（单位10-3×ft3-mil/ft/day/psig）

资料来源：NREL

3.氢脆与泄露不是拦路虎

许多钢都容易发生氢脆（如图1），即材料接触氢时，在低于屈服强度的持续载荷下发生脆性断裂。氢浓度和操作压力是导致氢脆的最关键因素。而如果是使用低强度钢的管道，其主要的氢损伤是拉伸延性的丧失或起泡，但通常在氢环境下以延性断裂而非灾难性脆性断裂。氢损伤的严重程度在很大程度上取决于氢浓度和操作压力。

在中低压力（290 psig（20 bar））管道系统中，由于管道运行抗拉强度相对于设计强度较低，因此对氢增强裂纹增长的影响要小得多。在全世界范围内，在压力低于290 psig （20 bar）的情况下成功运输纯氢已有很长的历史，在过去的几十年里没有出现操作问题。

资料来源：NREL

图1. 氢脆过程

对于其他金属管道，包括球墨铸铁、铸铁和锻铁以及铜管道，在天然气运输系统的一般操作条件下，不需要担心氢损伤。关于氢老化对聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）管道材料的影响，也没有大的担忧。大多数用于天然气管道系统的弹性体材料也可与氢相兼容。

4.安全性综合评估

此处根据天然气管道的不同模块，分开讨论HCNG在其中的安全性能。参照美国国家可再生能源实验室技术报告对天然气管道的分类，天然气管道可以分为：收集段线路、主干道传输线路、主支线传输线路和终端服务分配传输线路四大模块（如图2）。各环节所用材料等在不同地区都会有所不同，具体情况还应具体处理。此处给出披露的研究结论作为参考。

资料来源：NREL

图2.包含收集线路、输配主干线、分配主线和分配服务线的天然气供应链

在管道的非爆炸安全性质方面，我们引用美国国家实验室披露的关于分配主线和终端分配服务线的结论。此处安全等级被分为“严重”“比较严重”“一般”“较低”“低”“无”六个等级，表3。

分配系统和输配主干线之间的一个重要区别是相对于人口密集地区的位置。在人口稠密的地区，输气管道中可接受的氢气含量需要来自火灾或爆炸的频率和严重程度更多元的评估。此外，在分配系统中由气体泄漏引起的危害可能比在传输管道中更严重，特别是在封闭的服务区（表4，5）。在氢服务系统下，分配系统的完整性管理可能需要检漏装置或监测装置或传感器。含氢的传输系统的维护费用可能会增加，因为这些系统需要更频繁地检查，可能需要额外的泄漏检测系统。

研究结果表明，随着氢气含量的增加，分配服务线的事故严重程度略高于分配干线。这当中重要的区别来自于：位于应用终端的服务管道通常位于密闭空间中，泄漏气体更容易积聚。

当氢气浓度大于50%时，分配干线和分配服务线的事故总体严重风险都有一个比较大的上升。因此控制氢含量低于50%将有小减小整体风险。

表3. 天然气输送系统的危害等级与对应数值表

4.天然气管道分配主线中各类事故对应的发生概率以及含不同比例氢气时的严重情况

资料来源：NREL

表5.天然气管道分配服务线中各类事故对应的发生概率以及含不同比例氢气时的严重情况

资料来源：NREL

除了上述风险外，HCNG发生爆炸的风险也被评估。图2描述了70 bar压力，914mm 直径传输管道在不同HCNG氢气含量的情况下，发生爆炸，出现人员死亡的可能性曲线图。可见人距离管道超过400米绝对安全。图3则描述了不同管径大小发生爆炸而每年造成人员死亡的可能性。

值得注意的是，在图中研究的这些情况下，纯天然气的杀伤范围会更大，但是近距离的杀伤力较低。这里重要的原因是氢混合物的更快速的分散，这导致在更短的距离内浓度更低，因此在危险距离的远端降低了风险。虽然浓度整体较低，但是由于氢混合物的能量密度较高，距离爆炸点非常近的危险性比纯天然气高。

资料来源：Naturalhy

图3. 个人每年的风险是与管道距离的函数

显示的风险是个体风险:一个人在某一年成为死亡的可能性。

资料来源：Naturalhy

图4.向天然气管道中添加氢气每年给个人带来的风险

显示的风险是个体风险:一个人在某一年成为死亡的可能性。

5.家用端使用情况及示范运行方法简述

上文美国国家实验室报告总结了氢在管道中运输的情况。为家用供火的实用研究也已经完成，此处以荷兰Nes小镇项目为代表。其结果显示在通入不到20%氢气的情况下，使用的任何环节都没有发现问题。

荷兰瓦登海岛阿默兰岛上的小镇Nes上进行的HCNG家用项目是一项为期4年（2008-2011）的实地测试项目。该项目在向当地供应14套公寓的天然气分销网络中添加了5-20%的氢气（图5，表6）。

资料来源：IGRC 2011报告

图5.氢气比例（%，周均比例）

表6. HCNG中氢气的比例（%，年均比例）资料来源：IGRC 2011报告

介于本次示范项目意义较大，且官方披露了较为详细的示范运营方法，在此我们对本次运营的方法进行简述：

首先、该项目选择了一个好的地点：埃姆兰岛。埃姆兰岛有几个比较独特的优势：1、公寓位于城镇的外围，能够控制燃气网络的隔离，并为氢供应和混合提供空间。2、是一个著名的旅游景点。每年约有50万来自世界各地的游客，有非常好的社会效益。

第二、该项目构建了一个防止事故的安全体系。1、此地的天然气调压站、低压装置、爆炸安全、分区、通风、防雷和防火等标准得到检查。2、氢气天然气搅拌机的安装、煤气栅和家用煤气的安装都经过广泛的维修和检查。3、这些公寓配备了安全传感器，用于检测煤气泄漏和一氧化碳。4、对雇员、居民和当地消防队进行了有关氢气特性和控制的培训。

第三、具备及时切断氢气供应的能力。一旦出现电力故障或氢气供应故障，氢气注入就会停止，而天然气注入则会继续进行。

第四、从简单到复杂的掺氢过程。2007年12月到2018年12月，HCNG中的氢气来自于氢气瓶。2008年12月之后氢供应从氢瓶转换到现场电解生产。氢气发电所需的电力来自附近的“知识与创新中心”新大楼的太阳能电池板。

第五、除了测试网络，还增加了参考网络。这些类似的网格只是为了这个项目而建造的。网格是由同一批零件组成的。网格包含用于测试的干线、接头、服务省长和煤气表的不同材料。所选组件通常用于荷兰的燃气管道。

第六、参与测试的烹饪器是全新的并且具提前进行了测试。在此之前，所有的燃气器具都通过测试含30%氢气的气体来进行安全测试。这10%的安全余量用于克服搅拌器的动态特性（超调）。新的烹饪器具和锅炉被安装，因为现有的器具的寿命几乎到了尽头。

第七、调研最终用户的意见并积极推广。问卷定期在“Noorderlicht”小区居民中发放。国家地理频道的“绿色梦想区”电视节目让小学生和高中生了解了氢经济的重要性。此步骤保证了群众基础。该项目的最终结果显示，四年之后：测试段的被检测管道材料的最重要的性能在暴露于富氢天然气没有显示出任何影响；没有严重的泄露和渗透高的情况出现，也没有因此导致任何安全问题；没有发现与氢有关的管道材料缺陷。除了管材本身，接头和配件，如如橡胶软管、调控器、煤气表都没有表现出不良影响。

在锅炉器具的点火、回火、泄露、火焰稳定性试验同样全部通过标准测试。

锅炉控制单元的存储器被读出。没有氢相关的故障记录。目视检查包括燃烧器、点火装置、火焰电离检测器、热交换器、气阀、冷凝水排放、配件和密封件，没有发现与氢有关的缺陷或污染。

总结

美国国家可再生实验室对天然气掺氢在管道中的研究进行了总结，概述了不同压力、不同氢气含量对应不同管材的影响。这对实际中控制HCNG的应用风险以及后续HCNG研究思路都起到了重要的指导作用。终端端方面，荷兰Nes小镇项目在四年时间中没有出现任何因为氢加入到天然气管道后引起的异常。该项目所在地Nes也是一个旅游胜地，此项目也得到了广泛社会传播。

从国际领先的动态来看，目前所缺乏的是HCNG在工业中的应用研究，以及接近商业推广的摸索。

由于HCNG具备投资成本低，接触终端客户多，经济效益产生快，并且可以允许一定范围的氢含量波动的特点，其示技术方面的问题解决后，相信商业化推广会相对容易。其很有可能成为较早产生商业价值的氢能领域。