曹 權(quán), 王洪建, 吳 榮, 張 揚, 王建國, 福 鵬

(1.北京市煤氣熱力工程設計院有限公司,北京100032;2.清華大學能源與動力工程系, 北京100084;3.北京北燃實業(yè)集團有限公司,北京100000)

1 概述

當前我國城鎮(zhèn)供熱的能源主要為煤炭、天然氣等化石能源,熱電廠和鍋爐房是主要的熱源[1]。2019年,我國北方城鎮(zhèn)供熱碳排放達到5.5×108t,占全社會一次能耗排放的4.1%[2]。雙碳目標的提出給供熱領(lǐng)域帶來了新的挑戰(zhàn),也促進了我國清潔供熱產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。截至2021年,北方地區(qū)清潔供熱面積達225×108m2,清潔供熱率達到了70%,基本實現(xiàn)了《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃(2017—2021年)》的發(fā)展目標[1]。目前的清潔供熱實現(xiàn)了煤炭與天然氣的清潔高效利用,但仍然排放了大量的二氧化碳,按照目前的發(fā)展趨勢,難以在供熱領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標,因此需要尋求一種零碳的清潔能源,來應對供熱領(lǐng)域低碳化轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)。

氫能是一種清潔、零碳的二次能源,可大規(guī)模儲存和運輸。氫能供熱已成為眾多國家應對氣候變化、實現(xiàn)雙碳目標的重要選擇。2022年3月,國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》,明確了氫能是未來國家能源體系的重要組成部分。2021年我國氫氣產(chǎn)量約3 300×104t,居全球第一[3]。預計到2030年,中國氫氣年需求量將達3 500×104t,預計到2050年,氫在我國終端能源體系中占比至少10%[4]。據(jù)國際氫能委員會預測,到2050年,氫能供熱將在目前使用天然氣供熱的地區(qū)開展規(guī)?；瘧?在全球建筑供暖領(lǐng)域中,氫氣需求量將達到4 000×104t[5]。氫能可以多種方式應用于供熱領(lǐng)域。2022年10月,北京市人民政府印發(fā)的《北京市碳達峰實施方案》指出,禁止新建和擴建燃氣獨立供暖系統(tǒng),全面布局新能源和可再生能源供熱。2022年10月,北京市海淀區(qū)公布的“2023年可再生能源供熱領(lǐng)域市政府固定資產(chǎn)投資資金需求項目”中,包含氫能供熱項目。本文介紹氫能供熱技術(shù)原理與分類,總結(jié)國內(nèi)外氫能供熱的發(fā)展現(xiàn)狀,對比各類氫能供熱方式的關(guān)鍵技術(shù)指標,梳理氫能供熱技術(shù)攻關(guān)的重點任務與發(fā)展建議,研究結(jié)果可為相關(guān)熱力、燃氣、電力、能源等企業(yè)發(fā)展氫能供熱提供技術(shù)參考。

2 氫能供熱技術(shù)原理與分類

氫能供熱是指熱源直接或間接利用氫氣,將其轉(zhuǎn)化為符合供熱系統(tǒng)參數(shù)要求含能形態(tài)的技術(shù)?？芍苯訉錃庾鳛槿剂线M行摻混利用或單獨利用,也可將氫氣與氮氣合成氨氣、與二氧化碳合成甲醇或甲烷進行利用。

氫能供熱系統(tǒng)的熱源按照系統(tǒng)形式分類,可分為熱電廠(摻氫/純氫燃氣輪機)、鍋爐房(燃煤摻氨鍋爐、燃氣摻氫鍋爐)等集中供熱方式,以及家用氫燃料電池(固體氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池)熱電聯(lián)供、家用純氫鍋爐(或純氫鍋爐與空氣源熱泵相結(jié)合)、摻氫燃氣供暖熱水爐、摻氫燃氣熱水器等分布式供熱方式。

3 國內(nèi)外氫能供熱發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)展氫能和燃料電池已成為許多國家的戰(zhàn)略選擇,截至2021年底,日本、韓國、德國、美國等超過20個國家和地區(qū)都已制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略[6],并對氫能供熱進行了探索和實踐。美國、歐盟和日本等國家和地區(qū)的相關(guān)企業(yè)已經(jīng)在摻氫燃氣、摻氨燃煤、純氫鍋爐供熱以及氫燃料電池熱電聯(lián)供等方面開展了一系列的實踐應用。

3.1 美國

美國積極推動氫能供熱技術(shù)的研究與示范。2022年9月,美國能源部發(fā)布了《能源部國家清潔氫戰(zhàn)略和路線圖》草案,以確保開發(fā)和采用清潔氫氣作為有效的脫碳工具。目前,美國政府對天然氣摻氫和氫燃料電池熱電聯(lián)供項目提供了大量資金支持,以促進該領(lǐng)域的快速發(fā)展。2020年11月,美國開展了HyBlend項目,該項目將石油加工制得的氫氣注入天然氣管道中,與天然氣摻混形成摻氫天然氣,用于滿足終端用戶的供暖和發(fā)電需求,最高摻氫比(指氫氣體積分數(shù))為30%。喬治亞州電力公司實現(xiàn)了摻氫比為20%的燃氣輪機的正常運行,運行結(jié)果顯示,與天然氣相比,碳排放減少了約7%。2022年5月,卡特彼勒公司宣布了將在明尼蘇達州啟動氫燃料的熱電聯(lián)供(CHP)系統(tǒng)示范項目,該項目由美國能源部和國家可再生能源實驗室提供支持和部分資金,氫燃料電池產(chǎn)生的電力和熱量將供應明尼蘇達州圣保羅市中心及鄰近地區(qū)的建筑和獨棟住宅。

3.2 歐洲

歐洲在氫能供熱方面已開展一系列項目示范,其中家用純氫鍋爐已在荷蘭、英國等地開展應用示范,燃料電池熱電聯(lián)供已進入商業(yè)應用階段。2021年11月,歐盟委員會醞釀出臺新的居民供暖鍋爐技術(shù)標準,擬全面推行“至少混合20%”氫氣的供熱鍋爐,甚至計劃“在2030年全面禁止化石燃料供熱鍋爐設備”[7]。英國是歐洲國家中最早開始實施氫能供熱的國家,2019年,英國開展了H21氫供暖項目,該項目擬將天然氣重整所制得的氫氣以體積分數(shù)20%的比例摻入天然氣供暖管網(wǎng),供應利茲市的終端供暖用戶[7]。從2026年開始,英國將正式啟用氫能供暖。英國利茲市計劃從2028年開始,對居民供暖管網(wǎng)基礎(chǔ)設施進行氫配套改造,替代居民供暖、工業(yè)和發(fā)電的全部天然氣需求[7]。荷蘭BDR Therme公司已在洛赫姆12個家庭住宅中啟動純氫鍋爐供熱測試,此外,該公司還開發(fā)了純氫鍋爐與空氣源熱泵相結(jié)合的混合供暖系統(tǒng)。

在燃料電池熱電聯(lián)供方面,歐洲通過callux、ene.field、PACE、KFW433等項目已實現(xiàn)燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)(簡稱FC-CHP)產(chǎn)品的示范試驗和市場化初步探索,進入商業(yè)應用階段,目前多款產(chǎn)品面向市場銷售。截至2021年,歐洲已經(jīng)部署逾3×104套FC-CHP,并計劃2040年前部署250×104套[8]。歐洲主要的氫能供熱項目見表1。

表1 歐洲主要的氫能供熱項目

3.3 日本

日本海嘯地震多發(fā),能源資源短缺,日本政府主要將氫氣作為發(fā)電燃料應用。作為全球小型熱電聯(lián)供的最大市場,日本通過ENE-FARM項目,在燃料電池熱電聯(lián)供領(lǐng)域走在了世界的前列,實現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化推廣應用。ENE-FARM項目由燃氣公司主導銷售,電器和關(guān)鍵技術(shù)公司負責產(chǎn)品的研發(fā)集成,采用固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)雙技術(shù)路線。ENE-FARM項目2005年開始實施,2009年開始商業(yè)化,在2005—2016年,主流裝機是PEMFC,自2017年開始,新增燃料電池幾乎全部為SOFC。截至2021年,日本燃料電池家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)已售出逾42.4×104臺,計劃在2030年達到530×104臺,相當于日本家庭總數(shù)的10%[14]。日本斗山恒能公司正在與韓國機械研究院共同執(zhí)行國策課題“用于300 MW級氫燃氣輪機的50%氫混燒環(huán)保燃燒器的開發(fā)”,于2022年8月進行氫燃氣輪機燃燒器摻氫比30%氫混燒試驗獲得成功,之后將進行摻氫比50%氫混燒試驗。日本的電力公司JERA計劃在2030年前關(guān)閉所有的燃煤發(fā)電廠,并在2040年前將氨燃燒技術(shù)引入到燃煤發(fā)電廠中。JERA和IHI公司還將聯(lián)合研發(fā)適用于1 000 MW級燃煤電廠的20%氨混燃技術(shù)。其中,JERA公司主要負責采購氨和相關(guān)建造,IHI公司則主要負責改進燃燒器。

3.4 中國

我國的氫能供熱產(chǎn)業(yè)尚處于初步探索階段,已經(jīng)開展了一系列課題研究與示范驗證。在摻氫燃氣鍋爐、摻氨燃煤鍋爐、摻氫燃氣輪機等集中供熱領(lǐng)域已完成了多項示范項目建設。國內(nèi)具有代表性的氫能集中供熱示范項目見表2。表2中第5個項目摻混比指氨的熱量占氨、煤總熱量的比例(簡稱熱量比),其余均為氫氣體積分數(shù)。

表2 國內(nèi)具有代表性的氫能集中供熱示范項目

在政策的推動下,我國以燃料電池熱電聯(lián)供為代表的分布式氫能供熱示范項目已有序展開,在全國范圍內(nèi)開展了多處熱電聯(lián)供示范項目。山東“氫進萬家”科技示范工程,旨在打造“4個氫能園區(qū)、5個氫能社區(qū)”。項目覆蓋濟南、淄博、濰坊、青島,已落地1.2×104套燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)。目前4個氫能園區(qū)的選址和方案設計已完成,正在選址氫能社區(qū),將采用純氫、天然氣摻氫等方式,利用社區(qū)樓宇用熱電聯(lián)供系統(tǒng)為家庭生活供電供熱[15]。2021年11月,全國首座氫能進萬家智慧能源示范社區(qū)項目在佛山市投運,已安裝4臺440 kW商用燃料電池熱電聯(lián)供設備,將繼續(xù)安裝家用燃料電池熱電聯(lián)供設備394套,以推動佛山市氫進萬家[16]。

由于氫氣體積熱值約為天然氣的1/3,導致天然氣摻混氫氣后,終端燃具的燃燒工況發(fā)生改變,進而影響燃具的燃燒性能。根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》,以我國目前使用的12T基準氣為衡量標準,按甲烷摻混氫氣計算,摻氫比小于29.1%時滿足12T基準氣的互換要求。國內(nèi)外相關(guān)學者已對終端利用可接受的摻氫比開展了一系列的理論與實驗研究,結(jié)果表明在不進行改造的情況下,燃氣熱水器與燃氣供暖熱水爐可接受的摻氫比為20%[17-21]。

4 氫能供熱技術(shù)分析

結(jié)合國內(nèi)外氫能供熱技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,按照不同的供熱形式與熱源類型,對氫能供熱技術(shù)進行分類,對比分析了應用場景、技術(shù)成熟度等,見表3,其中,第3種供熱技術(shù)摻混比指熱量比,其余均為氫氣體積分數(shù)。氫能集中供熱可以大幅降低供熱碳排放量,實現(xiàn)電能、氫能、熱能等多能耦合,還可以降低NOx等污染物的排放。氫能分布式供暖的燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、低溫可快速啟動、熱輻射低、環(huán)境友好、噪聲小、適應不同熱功率要求、減少污染物與碳排放等優(yōu)勢,家用純氫鍋爐、摻氫燃氣供暖熱水爐和摻氫燃氣熱水器有火焰穩(wěn)定、熱效率高,擴展天然氣的穩(wěn)定熄燃極限,減少污染物與碳排放等優(yōu)勢。

表3 氫能供熱技術(shù)對比

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

① 國內(nèi)外已積極開展多項氫能集中供熱的示范項目。燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)等分布式氫能供熱系統(tǒng)在美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)已實現(xiàn)商業(yè)化應用,但我國還并未實現(xiàn)大規(guī)模推廣應用。

② 氫能供熱可以大幅降低供熱行業(yè)的碳排放量和NOx等污染物的排放量,實現(xiàn)電能、氫能、熱能的多能耦合。

③ 發(fā)展氫能供熱符合我國能源系統(tǒng)深度脫碳的要求,可以有效提高我國供熱領(lǐng)域的能效,有利于保障國家的能源安全。

5.2 對我國發(fā)展氫能供熱產(chǎn)業(yè)的建議

① 制定氫能供熱專項規(guī)劃?！稓淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》明確了氫能的戰(zhàn)略地位,提出開展摻氫天然氣管道試點示范,因地制宜布局氫燃料電池分布式熱電聯(lián)供設施。這在頂層設計上指明了氫能供熱的方向,但尚缺乏氫能供熱的專項規(guī)劃。氫能供熱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展事關(guān)我國供熱領(lǐng)域雙碳目標的實現(xiàn),應制定符合我國國情的氫能供熱產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑與實施方案,推動氫能供熱領(lǐng)域的重點任務與技術(shù)攻關(guān),重點規(guī)劃氫能供熱的應用場景,建立氫能供熱的補貼政策,打通覆蓋制氫-儲運-利用-運營的氫能供熱全產(chǎn)業(yè)。

② 構(gòu)建符合我國國情的氫能供熱安全監(jiān)管、技術(shù)與運營管理標準體系。國內(nèi)氫能供熱的標準基本處于空白狀態(tài),應當協(xié)同行業(yè)優(yōu)勢力量建立和完善全方位、系統(tǒng)化的氫能供熱標準體系,理清標準化工作的重點。應以需求為導向,加快制定氫能供熱的國家和行業(yè)標準體系,包括氫燃料鍋爐、燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)等供熱系統(tǒng)的技術(shù)標準、工藝標準、安全標準等,保障氫能供熱產(chǎn)業(yè)健康安全有序發(fā)展。

③ 加強氫能供熱安全檢測能力和保障技術(shù)。氫氣相對分子質(zhì)量小,無色無味,一旦發(fā)生泄漏,逸散速度極快且不易被察覺。應對氫能供熱應用場景下氫氣泄漏風險、火災危險、燃爆危險、安全防控手段開展研究,建立氫能供熱產(chǎn)業(yè)的安全監(jiān)管體系。

④ 加大對氫能供熱的補貼政策及金融支持。目前我國氫能來源主要以煤制氫為主,利用可再生能源發(fā)電進行電解水制氫可得到清潔的綠氫,但是成本較高,因此利用綠氫進行氫能供熱目前不具有經(jīng)濟可行性。綠氫價格與燃料電池制造成本下降是未來氫能供熱規(guī)模化發(fā)展的必然要求,因此需要加大氫能供熱產(chǎn)業(yè)鏈的補貼政策與金融支持,為氫能供熱的市場拓展空間。