光伏制氫摻入天然氣燃燒可行性研究

  氫能是一種清潔零碳、靈活高效、來源豐富的二次能源，相較于傳統(tǒng)化石能源，這種二次能源不僅具有能量密度優(yōu)勢，還能通過可再生能源電解水實現(xiàn)全生命周期碳中和，該制備方式被業(yè)界稱為“綠氫”工藝。盡管我國在“十四五”能源規(guī)劃中已明確將氫能納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并出臺多項配套扶持政策，但受制于電解水設(shè)備投資成本與運營能耗，綠氫產(chǎn)業(yè)化進程仍面臨經(jīng)濟性挑戰(zhàn)。
　　在可再生能源消納領(lǐng)域，氫能展現(xiàn)出獨特的調(diào)節(jié)價值。以光伏發(fā)電為例，雖然裝機容量持續(xù)增長，但波動性與晝夜周期性導(dǎo)致電網(wǎng)消納壓力劇增。通過構(gòu)建“光伏+電解水”耦合系統(tǒng)，可將過剩電能轉(zhuǎn)化為氫能儲存，進而通過燃?xì)鈸綗龑崿F(xiàn)能源梯級利用。
　  一、光伏制氫技術(shù)可行性分析
　　（一）光伏發(fā)電與電解水制氫耦合。光電化學(xué)制氫系統(tǒng)作為新型能源轉(zhuǎn)換存儲體系，其核心機理在于構(gòu)建光伏組件與電解裝置的協(xié)同作用機制。該系統(tǒng)采用固態(tài)半導(dǎo)體界面實現(xiàn)太陽輻射能向電能的高效轉(zhuǎn)化，并依托動態(tài)響應(yīng)特性與電解單元形成能量傳遞鏈路，從而完成水分子解離與氫燃料的同步制備。
　?。ǘ綒涮烊粴馊紵夹g(shù)。摻氫天然氣通過現(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)進行輸送具有顯著工程應(yīng)用價值。研究表明，當(dāng)摻氫比例控制在23%閾值以下時，混合氣體仍能保持與常規(guī)燃?xì)庠罹叩募嫒菪?。我國現(xiàn)行燃?xì)饩咴O(shè)計規(guī)范以12T標(biāo)準(zhǔn)氣為基準(zhǔn)，摻氫后燃料組分變化將引發(fā)燃燒動力學(xué)的顯著改變：首先，由于氫氣體積能量密度（12.75MJ/m3）僅為甲烷（39.82MJ/m3）的32%，混合燃料熱值呈現(xiàn)線性下降趨勢；其次，當(dāng)摻氫比≤26%時，混合氣熱值仍可滿足規(guī)定的二類、三類氣源標(biāo)準(zhǔn)（≥31.4MJ/m3）。
　　不僅如此，氫氣的燃燒特性為傳統(tǒng)燃?xì)庠O(shè)備帶來性能優(yōu)化空間。相較于甲烷，氫氣具有更高的層流火焰速度、更低的點火能量需求以及更寬的稀燃極限?？蓪崿F(xiàn)熱效率提升，同時降低碳排放量。這種協(xié)同效應(yīng)為構(gòu)建低碳化動力系統(tǒng)提供了創(chuàng)新路徑。
　　二、經(jīng)濟性評估
　　（一）制氫成本對比。傳統(tǒng)制氫方式中，基于煤氣化技術(shù)的產(chǎn)氫體系，其單位產(chǎn)氫成本維持在0.68-0.72元/Nm3區(qū)間，而甲烷蒸汽重整工藝的制氫成本則達到1.42-1.58元/Nm3。相較之下，光伏電解水制氫系統(tǒng)的制氫成本與電力價格形成強關(guān)聯(lián)性，技術(shù)經(jīng)濟性分析表明，在可再生能源電價下行趨勢下，當(dāng)電力采購成本降至0.28元/kWh水平時，制氫成本可壓縮至1.76-1.84元/Nm3，這一數(shù)值已接近傳統(tǒng)煤制氫的經(jīng)濟性閾值。
　　（二）摻氫燃燒收益。目前中國的城市燃?xì)庖泽w積進行計量，工業(yè)副產(chǎn)氫的價格（0.9～1.45元/m3）低于等體積天然氣門站的價格（1.8～3元/m3），若直接將光伏制氫摻混輸送至城市燃?xì)夤芫W(wǎng)，具備一定的經(jīng)濟性。未來隨著國家油氣管網(wǎng)設(shè)施的開放和天然氣熱值計量條件的日益完善，熱值計量勢在必行，而氫氣的體積熱值約為天然氣的 1/3，當(dāng)氫氣價格降低至0.6～1元/m3時，氫氣摻入燃?xì)夤芫W(wǎng)具備商業(yè)價值。
　?。ㄈ┉h(huán)境效益與碳減排潛力。綠氫摻入天然氣燃燒具有顯著的環(huán)境效益。與傳統(tǒng)天然氣燃燒相比，摻氫天然氣燃燒過程中碳排放顯著降低。由于氫氣燃燒只產(chǎn)生水，不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，隨著摻氫比例的增加，混合氣體燃燒排放的二氧化碳量逐漸減少，有助于緩解全球氣候變化。
　  三、國內(nèi)外案例展示
　　新疆庫車光伏制綠氫項目。新疆庫車光伏制綠氫項目是中國石化建設(shè)的全球最大光伏制綠氫項目，裝機300兆瓦光伏，年產(chǎn)綠氫2萬噸，通過電解水制氫實現(xiàn)全流程零碳排放。其主要應(yīng)用光伏制綠氫替代天然氣制氫用于煉油加工，雖未直接摻入天然氣，但首次實現(xiàn)萬噸級綠氫與傳統(tǒng)煉化工藝耦合，年減碳48.5萬噸，為后續(xù)摻氫技術(shù)提供基礎(chǔ)。
　  四、結(jié)語
　　光伏制氫并摻入天然氣燃燒作為一種創(chuàng)新的能源解決方案，在技術(shù)上具有可行性，通過對光伏制氫技術(shù)和天然氣摻氫燃燒技術(shù)的不斷優(yōu)化和改進，可以實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的運行。在環(huán)境效益方面，該技術(shù)路線能夠顯著降低碳排放和污染物排放，對環(huán)境保護具有重要意義。光伏電站耦合綠氫制備并摻入天然氣燃燒有望成為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型和低碳發(fā)展的重要途徑之一，為全球清潔能源發(fā)展作出貢獻。但在推廣應(yīng)用過程中，仍需充分認(rèn)識到面臨的挑戰(zhàn)，采取有效的對策加以解決，推動該技術(shù)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

文章來源：  《安徽科技報》   http://www.12-baidu.cn/w/qt/35317.html