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摘要：中國首次發布氫能產業中長期規劃，明確了氫能在能源體系中的重要地位，而“雙碳”目標指明了能源結構的轉型方向，這一系列重大舉措將會積極推動能源結構向清潔低碳發展。天然氣具有清潔低碳優勢，氫能具有清潔高效特質，未來發展潛力巨大。探討了如何利用現有天然氣資源及其基礎設施支持氫能產業的發展，提出構建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的設想；分析了3類主要能源，電能、天然氣和氫能之間相互轉化依托的技術路徑及其中的主要技術，指出應重點發展可再生能源電解水制氫和電解二氧化碳技術，耦合天然氣制氫與CCUS協同發展。本工作可為構建清潔、低碳、安全和高效的能源體系提供參考。
關鍵詞：天然氣；氫能；雙清潔低碳能源體系；可再生能源；二氧化碳利用
全球能源結構持續向低碳清潔化方向發展，氫能具有低碳清潔、比能量密度大和轉化效率高等優點，在能源轉型中備受矚目[1-3]。據本文初步統計，截至2022年初，歐美日韓等經濟發達體紛紛出臺了國家級氫能產業戰略規劃或發展目標，世界氫能產業發展路徑日漸清晰。2022年3月，中國國家發改委正式發布氫能產業中長期規劃，明確指出氫能是國家未來能源體系的重要組成部分，是戰略性新興產業，是未來產業重點發展方向，是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體。氫能是二次能源，通過燃燒和燃料電池等利用方式生成水，有利于實現低碳甚至零碳排放，是能源、工業、交通和建筑等產業邁向低碳化的有效路徑，將能有效緩解溫室效應和環境污染[2-3]。然而，氫能產業剛剛起步，面臨眾多挑戰，比如核心技術有待突破、制儲運氫成本較高、配套基礎設施缺乏和安全性尚待完善等。在較長時期內，天然氣作為清潔低碳能源，在我國能源結構中仍占有重要地位[4-5]。天然氣產業發展過程中也存在一些制約因素，比如沿海地區的天然氣消費市場亟需開拓、消費結構亟需調整。同時，天然氣消費水平明顯偏低，且供應能力存在階段性、區域性富余，天然氣基礎設施季節性使用率偏低，限制了天然氣產業健康發展。為培育氫能產業，并進一步拓展天然氣消費市場，考慮利用現有天然氣管道網絡混輸一定比例氫氣，以降低氫儲運成本。利用天然氣管網分布廣的優勢，在一定范圍內試行近用戶式的小規模分散制氫[6]（如橇裝式天然氣制氫），可大大節省運輸成本或降低用氫成本[7]，提高用氫安全。已有學者研究了此類問題，張福東等[8]提出了天然氣和氫能產業融合發展思路，建議國內油氣公司從上、中、下游3個方面對氫和天然氣產業鏈進行融合發展；曹蕃等[9]討論了可再生能源與綜合能源服務園區耦合氫能發展的具體技術路徑。但相關文獻對“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的報道很少。本文利用現有技術，結合可再生能源發展和二氧化碳高效利用，探討構建“天然氣＋氫能”雙清潔低碳能源體系技術路徑的可行性，以期為進一步降低氫能儲運成本、拓展天然氣消費市場，以及完善我國清潔能源發展路徑提供借鑒和參考。
1“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的構建
本文提出初步構建的“天然氣＋氫能”雙清潔低碳能源體系，其主要結構如圖1所示。該體系以天然氣和氫氣兩種清潔能源作為主線，將電能、天然氣和氫能有機結合起來，將一次能源天然氣和二次能源電能貫通起來，互為依托和補充；同時引入風、光和水等可再生能源和二氧化碳為輸入要素，對外輸出“電能、天然氣和氫能”，并進一步拓展生產用于合成甲醇等綠色化工產品的合成氣。該體系優勢明顯，既能充分利用風能、光能和水能等可再生能源，通過電解水制氫方法，利用氫氣將電能儲存起來[10-12]，在一定程度上解決儲能難題；同時，還可消納剩余的電能，通過固體氧化物電解池等高效儲能技術，將二氧化碳直接電解為一氧化碳，成為綠色化工合成的原料[13]。隨著科學技術進步，雙清潔低碳能源體系將會逐漸完善起來，為建立清潔低碳的社會服務。以上所構建雙清潔低碳能源體系內部電能、天然氣和氫能等不同能流之間，可通過不同技術路徑實現轉化，根據對不同能源種類的需求，進行相應比例清潔能源輸出。此外，該體系可以消納自身環節產生的二氧化碳，實現二氧化碳零排放。在體系框架內，電能、天然氣和氫能之間的轉化主要通過以下3類技術路徑（可再生能源電解制氫、天然氣制氫發電技術和氫氣轉化利用技術）實現。
2“天然氣+氫能”體系技術路徑的選擇
2.1可再生能源電解制氫技術路徑
電解水制氫技術路徑如圖2所示，主要利用風光等可再生能源產生的電能，電解水制取氫氣、電解二氧化碳制備一氧化碳等。該路徑涉及的關鍵技術主要有：風光等可再生能源發電、電解水制氫、電解二氧化碳以及氫氣和一氧化碳甲烷化制天然氣?？稍偕茉措娊饧夹g路徑是“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系最重要、最具潛力的核心路徑之一。利用可再生能源產生的電力，電解水制氫被認為是實現“綠氫”的最優途徑之一。此外，采用固體氧化物電解池可以將二氧化碳電解成一氧化碳。氫氣和一氧化碳還可以進一步通過甲烷化技術轉化為天然氣。目前，通過可再生能源發電制取“綠氫”的技術路線主要有堿性電解池、質子交換膜（PEM）電解池和固體氧化物（SOEC）電解池等[13-15]。各技術根據不同特點，與可再生能源結合的應用領域有所差異。堿性電解池技術成熟、設備國產化程度高且成本低，已經實現大規模工業應用。單槽電解制氫產量較大、易于實現大規模應用，但實際電能消耗較大、適合于有穩定電源且裝機規模較大的電力系統；此外，該技術產生腐蝕液體，后期運維復雜、成本高。PEM電解制氫的優點是無腐蝕性液體、運行靈活簡單、效率較高、運維成本低、占地面積小、對間歇性電源適應性好以及能夠以較低功率保持待機；缺點是設備成本較高，在技術成熟度、裝置規模、使用壽命以及經濟性等方面不佳，較國際先進水平存在較大差距。SOEC電解池技術的電耗低于堿性電解池和PEM電解技術，但只適合高溫環境，如產生高溫、高壓蒸汽的光熱發電系統等。此外，SOEC電解池還可以用于電解二氧化碳。2006年，美國Idaho國家實驗室首次發現，陰極上水和二氧化碳混合氣體共電解可生成氫氣和一氧化碳，該技術迅速成為能源領域的研究熱點[16]。SOEC電解池技術直接電解二氧化碳為一氧化碳，而一氧化碳作為合成氣原料能夠很好與綠色化工結合。目前SOEC電解技術尚未廣泛商業化，國內僅完成了實驗室的驗證示范。隨著可再生能源發電成本不斷降低，電解水制氫效率大幅提升，其成本也大幅降低。考慮碳稅等因素，綠氫、綠電的經濟性不斷提高，結合可再生能源在中國能源結構占比的增加趨勢，雙清潔低碳能源體系勢必大大推動清潔能源體系的發展。
2.2天然氣制氫發電技術路徑
天然氣制氫發電技術路徑如圖3所示，以天然氣為能源和資源基礎，通過化學轉化獲得氫氣和電力，是構建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系的重要技術路徑。天然氣發電技術成熟，已獲得廣泛應用[17]，本文不再詳述。天然氣制氫技術主要包括天然氣蒸汽重整制氫、天然氣部分氧化制氫、天然氣自熱重整制氫、天然氣催化裂解制氫和等離子體重整制氫等，其中天然氣蒸汽重整制氫技術發展較為成熟，應用較為廣泛。目前，全球大規模制氫主要方式包括化石燃料制氫、電解水制氫等。化石能源制氫約占90%的份額，其中天然氣制氫約占48%[18]，而電解水制氫約占4%。天然氣制氫在環保、投資和能耗等方面具備綜合優勢，是歐美國家的主流制氫方式。天然氣在中國一次能源中的占比逐年增加，將作為清潔能源發揮支撐作用。未來，天然氣制氫支撐氫能發展，將是向“綠色氫能”轉變的主要過渡方式。天然氣蒸汽重整制氫技術發展較為成熟，但二氧化碳排放較大。因此，在天然氣制氫發電技術路徑中，本文設計了二氧化碳捕集回收再利用技術路徑，如圖4所示。該路徑利用可再生能源電力，將二氧化碳、綠電以及化工合成耦合，制取高附加值產品。二氧化碳捕集利用技術路徑，主要有兩種方式：“可再生能源發電+固體氧化物電解池+甲烷化”協同，以及“可再生能源發電+固體氧化物電解池+甲醇合成”協同[13,19]。利用綠電，將二氧化碳甲烷化反應產生的大量高溫水蒸汽，作為固體氧化物電解池原料，通過電解高溫水蒸氣制取氫氣；再與二氧化碳通過甲烷化反應合成天然氣，可形成閉環，以減少二氧化碳排放。與此類似，同時電解高溫水蒸氣和二氧化碳，可得到合成氣，然后通過合成反應得到甲醇或油品。
2.3氫氣轉化利用技術路徑
氫氣轉化利用技術路徑如圖5所示，以氫氣為主線，通過化學轉化將氫能轉化為電（氫氣燃燒發電和燃料電池發電）和將氫氣轉化為天然氣。該路徑關鍵技術主要包括：氫燃料電池發電技術、氫氣燃燒發電技術及甲烷化技術等。2.3.1氫燃料電池發電技術氫能有多種利用方式，燃料電池被認為是利用氫氣的最佳方式之一，燃料電池與傳統分布式能源對比見表1。燃料電池不經過燃燒燃料，是一種以電化學反應方式，將燃料化學能直接轉化為電能的高效發電裝置；具有效率高、污染低、噪聲小、模塊化以及電力質量好等特點，是理想的分布式能源[20]。與該領域技術領先國家相比，中國在燃料電池關鍵技術方面的研究與應用還存在一定差距，主要體現在電堆技術性能、關鍵材料技術以及市場化程度[21-22]，詳細對比見表2。2.3.2氫氣燃燒發電技術氫氣燃燒發電主要包括混氫燃燒發電和純氫燃燒發電。在現有天然氣燃燒發電中混合一定氫氣，可以實現燃料的充分燃燒，并滿足低污染的排放標準。然而目前國內天然氣混氫燃燒的案例不多，其商業價值有待進一步開發。純氫燃燒發電技術目前處于研究和小規模試驗階段。2.3.3甲烷化技術可再生能源發電、電解水制氫有望為二氧化碳化學轉化和利用提供新的解決方案。甲烷化技術的主要原理是，借助催化劑作用將氫氣與一氧化碳或二氧化碳轉化為天然氣[23]。該技術需要大量廉價的氫氣，而氫氣可以考慮利用過剩的電力，如光電、風電、水電和核電等制取。將排放的二氧化碳與可再生能源制取的氫氣進行甲烷化反應，不僅實現了可再生能源的儲能，還實現了二氧化碳的循環利用，減少了碳排放[24-25]。
3結語
本文提出了構建中國“天然氣＋氫能”雙清潔低碳能源體系初步框架，以天然氣和氫能兩種清潔能源為主線，將電能、天然氣和氫能有機結合起來，互為依托和補充。同時引入風、光和水等可再生能源和二氧化碳作為輸入要素，對外輸出電能、天然氣和氫能等綠色能源和綠色化工產品。通過對體系框架內電能、天然氣和氫能之間3類主要轉化技術路徑進行分析，認為：（1）可再生能源電解水技術路徑是“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系最重要、最具潛力的核心路徑之一，是未來清潔能源發展的主要技術方向。（2）新型天然氣發電與制氫技術路徑，以天然氣為能源和資源基礎，通過化學轉化獲得氫氣和電力，是構建“天然氣+氫能”雙清潔低碳能源體系重要的技術路徑，并且能夠進一步拓展天然氣的利用途徑，提高利用效率。（3）氫氣轉化利用技術路徑，是實現清潔能源社會的終極目標。以氫氣為原料和燃料，構建燃燒發電、燃料電池發電以及合成天然氣等化工產品，最終實現綠色能源和綠色化工。
作者:侯建國 姚輝超 王秀林 張瑜 宋鵬飛 張雨晴 隋依言 穆祥宇 單位:中海石油氣電集團技術研發中心
