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(lái)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(shì)，還能通過可再生能源電解水實(shí)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(guó)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(tái)多項(xiàng)配套扶持政策，但受制于電解水設(shè)備投資成本與運(yùn)營(yíng)能耗，綠氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)。
　　在可再生能源消納領(lǐng)域，氫能展現(xiàn)出獨(dú)特的調(diào)節(jié)價(jià)值。以光伏發(fā)電為例，雖然裝機(jī)容量持續(xù)增長(zhǎng)，但波動(dòng)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(chǔ)存，進(jìn)而通過燃?xì)鈸綗龑?shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用。
　  一、光伏制氫技術(shù)可行性分析
　?。ㄒ唬┕夥l(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(chǔ)體系，其核心機(jī)理在于構(gòu)建光伏組件與電解裝置的協(xié)同作用機(jī)制。該系統(tǒng)采用固態(tài)半導(dǎo)體界面實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射能向電能的高效轉(zhuǎn)化，并依托動(dòng)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(jìn)行輸送具有顯著工程應(yīng)用價(jià)值。研究表明，當(dāng)摻氫比例控制在23%閾值以下時(shí)，混合氣體仍能保持與常規(guī)燃?xì)庠罹叩募嫒菪?。我?guó)現(xiàn)行燃?xì)饩咴O(shè)計(jì)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(dòng)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(shì)；其次，當(dāng)摻氫比≤26%時(shí)，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(lái)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(diǎn)火能量需求以及更寬的稀燃極限?？蓪?shí)現(xiàn)熱效率提升，同時(shí)降低碳排放量。這種協(xié)同效應(yīng)為構(gòu)建低碳化動(dòng)力系統(tǒng)提供了創(chuàng)新路徑。
　　二、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估
　　（一）制氫成本對(duì)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(dá)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(jià)格形成強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析表明，在可再生能源電價(jià)下行趨勢(shì)下，當(dāng)電力采購(gòu)成本降至0.28元/kWh水平時(shí)，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(jì)性閾值。
　?。ǘ綒淙紵找?。目前中國(guó)的城市燃?xì)庖泽w積進(jìn)行計(jì)量，工業(yè)副產(chǎn)氫的價(jià)格（0.9～1.45元/m3）低于等體積天然氣門站的價(jià)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(jì)性。未來(lái)隨著國(guó)家油氣管網(wǎng)設(shè)施的開放和天然氣熱值計(jì)量條件的日益完善，熱值計(jì)量勢(shì)在必行，而氫氣的體積熱值約為天然氣的 1/3，當(dāng)氫氣價(jià)格降低至0.6～1元/m3時(shí)，氫氣摻入燃?xì)夤芫W(wǎng)具備商業(yè)價(jià)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(guó)內(nèi)外案例展示
　　新疆庫(kù)車光伏制綠氫項(xiàng)目。新疆庫(kù)車光伏制綠氫項(xiàng)目是中國(guó)石化建設(shè)的全球最大光伏制綠氫項(xiàng)目，裝機(jī)300兆瓦光伏，年產(chǎn)綠氫2萬(wàn)噸，通過電解水制氫實(shí)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(shí)現(xiàn)萬(wàn)噸級(jí)綠氫與傳統(tǒng)煉化工藝耦合，年減碳48.5萬(wàn)噸，為后續(xù)摻氫技術(shù)提供基礎(chǔ)。
　  四、結(jié)語(yǔ)
　　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(duì)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(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的運(yùn)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(duì)環(huán)境保護(hù)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(shí)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(xiàn)。但在推廣應(yīng)用過程中，仍需充分認(rèn)識(shí)到面臨的挑戰(zhàn)，采取有效的對(duì)策加以解決，推動(dòng)該技術(shù)的健康、可持續(xù)發(fā)展。

文章來(lái)源：  《安徽科技報(bào)》   http://www.00559.cn/w/qt/35317.html