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，相較于傳統化石能源，這種二次能源不僅具有能量密度優勢，還能通過可再生能源電解水實現全生命周期碳中和，該制備方式被業界稱為“綠氫”工藝。盡管我國在“十四五”能源規劃中已明確將氫能納入戰略性新興產業，并出臺多項配套扶持政策，但受制于電解水設備投資成本與運營能耗，綠氫產業化進程仍面臨經濟性挑戰。
　　在可再生能源消納領域，氫能展現出獨特的調節價值。以光伏發電為例，雖然裝機容量持續增長，但波動性與晝夜周期性導致電網消納壓力劇增。通過構建“光伏+電解水”耦合系統，可將過剩電能轉化為氫能儲存，進而通過燃氣摻燒實現能源梯級利用。
　  一、光伏制氫技術可行性分析
　　（一）光伏發電與電解水制氫耦合。光電化學制氫系統作為新型能源轉換存儲體系，其核心機理在于構建光伏組件與電解裝置的協同作用機制。該系統采用固態半導體界面實現太陽輻射能向電能的高效轉化，并依托動態響應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。
　　（二）摻氫天然氣燃燒技術。摻氫天然氣通過現有燃氣管網進行輸送具有顯著工程應用價值。研究表明，當摻氫比例控制在23%閾值以下時，混合氣體仍能保持與常規燃氣灶具的兼容性。我國現行燃氣具設計規范以12T標準氣為基準，摻氫后燃料組分變化將引發燃燒動力學的顯著改變：首先，由于氫氣體積能量密度（12.75MJ/m3）僅為甲烷（39.82MJ/m3）的32%，混合燃料熱值呈現線性下降趨勢；其次，當摻氫比≤26%時，混合氣熱值仍可滿足規定的二類、三類氣源標準（≥31.4MJ/m3）。
　　不僅如此，氫氣的燃燒特性為傳統燃氣設備帶來性能優化空間。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。可實現熱效率提升，同時降低碳排放量。這種協同效應為構建低碳化動力系統提供了創新路徑。
　　二、經濟性評估
　　（一）制氫成本對比。傳統制氫方式中，基于煤氣化技術的產氫體系，其單位產氫成本維持在0.68-0.72元/Nm3區間，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的制氫成本與電力價格形成強關聯性，技術經濟性分析表明，在可再生能源電價下行趨勢下，當電力采購成本降至0.28元/kWh水平時，制氫成本可壓縮至1.76-1.84元/Nm3，這一數值已接近傳統煤制氫的經濟性閾值。
　　（二）摻氫燃燒收益。目前中國的城市燃氣以體積進行計量，工業副產氫的價格（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氣管網，具備一定的經濟性。未來隨著國家油氣管網設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，當氫氣價格降低至0.6～1元/m3時，氫氣摻入燃氣管網具備商業價值。
　　（三）環境效益與碳減排潛力。綠氫摻入天然氣燃燒具有顯著的環境效益。與傳統天然氣燃燒相比，摻氫天然氣燃燒過程中碳排放顯著降低。由于氫氣燃燒只產生水，不產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的全球最大光伏制綠氫項目，裝機300兆瓦光伏，年產綠氫2萬噸，通過電解水制氫實現全流程零碳排放。其主要應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，但首次實現萬噸級綠氫與傳統煉化工藝耦合，年減碳48.5萬噸，為后續摻氫技術提供基礎。
　  四、結語
　　光伏制氫并摻入天然氣燃燒作為一種創新的能源解決方案，在技術上具有可行性，通過對光伏制氫技術和天然氣摻氫燃燒技術的不斷優化和改進，可以實現穩定、高效的運行。在環境效益方面，該技術路線能夠顯著降低碳排放和污染物排放，對環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能源轉型和低碳發展的重要途徑之一，為全球清潔能源發展作出貢獻。但在推廣應用過程中，仍需充分認識到面臨的挑戰，采取有效的對策加以解決，推動該技術的健康、可持續發展。

文章來源：  《安徽科技報》   http://www.007hgw.com/w/qt/35317.html