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氫氣-天然氣混合燃燒是氫能的另一種利用方式，英國的Hydeploy項(xiàng)目似乎也認(rèn)為，這種方式將會更容易被大規(guī)模利用，并實(shí)現(xiàn)低碳社會的目標(biāo)。

Hydeploy是英國第一個向氣體網(wǎng)絡(luò)注入氫氣的示范項(xiàng)目，氫氣注入體積比達(dá)到20%，旨在為英國境內(nèi)的氫氣混合市場提供一個先鋒平臺。

Hydeploy是Cadent、北部氣體網(wǎng)絡(luò)(NGN)、漸進(jìn)能量公司(Progressive Energy)、HSE定制研究與咨詢、ITM Power和基爾大學(xué)之間的合作項(xiàng)目。主要分包商是奧托西蒙有限公司(OSL)、戴夫蘭德咨詢公司和 Kiwa Gastec。該項(xiàng)目由英國天然氣及電力市場辦公室(Ofgem)通過網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新競賽資助，是Ofgem有史以來最大的天然氣創(chuàng)新項(xiàng)目。

Hydeploy是一個為期6年的項(xiàng)目，于2017年啟動，預(yù)計(jì)于2023年完成。該項(xiàng)目包括三個單獨(dú)的試驗(yàn)，將20%體積的氫氣混合到基爾大學(xué)的專用網(wǎng)絡(luò)中和NGN、Cadent的網(wǎng)絡(luò)中。

該項(xiàng)目的總體目標(biāo)是為氫氣-天然氣混合提供安全案例，并促進(jìn)清除啟動氫混合市場所需的監(jiān)管障礙。項(xiàng)目結(jié)束時的目標(biāo)是將能夠讓氫氣生產(chǎn)商像現(xiàn)在的生物甲烷供應(yīng)商一樣向天然氣網(wǎng)絡(luò)中注入氫氣。

氫氣混合比例為何是20%?

氫和低碳電可能是脫碳能源系統(tǒng)的兩大支柱。不遺余力、低風(fēng)險的發(fā)展氫能是最低成本的實(shí)現(xiàn)英國具有法律約束力的碳減排目標(biāo)至關(guān)重要的途徑。

HSE2之前的工作表明，20 vol %的氫混合物不太需要大量的對天然氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。此外，作為歐盟認(rèn)證的一部分，1996年《燃?xì)馄骶咧噶睢?GAD)之后的所有家用燃?xì)馄骶叨冀?jīng)過了23%的氫氣測試。因此，Hydeploy的目標(biāo)是建立必要的證據(jù)基礎(chǔ)證明20 vol%的氫氣混合物與天然氣一樣安全。

通過證明當(dāng)前的燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)和設(shè)備能夠在不進(jìn)行修改的情況下采用20 vol%的氫混合物，從而使氫的商業(yè)部署不用需要定制設(shè)備，消除對設(shè)備的更改需求。這就解決了“雞和蛋”供應(yīng)問題，反之亦然。它使早期的氫氣部署能夠?qū)⑼顿Y集中在交付批量生產(chǎn)所需的必要供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施上，尤其是天然氣調(diào)節(jié)和CCUS基礎(chǔ)設(shè)施，同時為通過燃料電池、低碳柔性發(fā)電以及潛在的氫替換實(shí)現(xiàn)更深層次的碳節(jié)約奠定基礎(chǔ)。

碳節(jié)約

英國的供熱需求僅占總排放量的一半以上，因此小的變化也會產(chǎn)生很大的影響。將20 vol%的氫氣混合到天然氣網(wǎng)絡(luò)中，將在國內(nèi)天然氣需求范圍內(nèi)釋放29 TWh /y的低碳供熱。

從這個數(shù)字來看，2018年英國可再生能源熱激勵計(jì)劃(RHI)總共提供了11TWh的低碳熱，預(yù)計(jì)年底將額外提供10 TWh /y低碳熱(總共 21 TWh /y)。RHI是英國政府的低碳熱支持機(jī)制，涵蓋非生活(生物甲烷、廢物等)和生活(生物質(zhì)鍋爐、空氣源熱泵等)低碳熱。與氫混合物的比較如圖1所示。

很明顯，以20 vol%的比例混合氫將減少碳排放，同時降低氫的早期部署途徑的風(fēng)險。

圖1：低碳熱比較

建立安全案例

所有配氣網(wǎng)絡(luò)均由Ofgem授權(quán)，按照天然氣安全(管理)條例(GS(M)R)將天然氣輸送給用戶。GS(m)R內(nèi)的當(dāng)前氫限值為0.1 mol%，因此運(yùn)輸含氫量較大的氣體需要獲得英國健康安全與環(huán)境部(HSE)批準(zhǔn)。根據(jù)科學(xué)證據(jù)的陳述，通過定制豁免授予HSE批準(zhǔn)，以證明任何提議的變更與當(dāng)前操作“一樣安全”。

HyDeploy于2018年11月被HSE批準(zhǔn)，是英國有史以來第一個氫豁免項(xiàng)目，用于基爾大學(xué)的首次試驗(yàn)。

每項(xiàng)試驗(yàn)都需要單獨(dú)的批準(zhǔn)程序，因此，項(xiàng)目將從HES申請三項(xiàng)豁免，以使所有三項(xiàng)試驗(yàn)都能交付。

為什么要進(jìn)行三次試驗(yàn)?

Hydeploy的三個試驗(yàn)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以適當(dāng)管理輸送20 vol%氫氣混合物的風(fēng)險。每項(xiàng)試驗(yàn)將持續(xù)10個月。

第一次試驗(yàn)將于2019年9月開始，并將把氫氣混合到基爾大學(xué)運(yùn)營的一個氣體網(wǎng)絡(luò)中。第一次試驗(yàn)將向100個家庭和30個教學(xué)樓提供氫混合物。

圖2：總體計(jì)劃時間表

作為支持首次豁免申請的證據(jù)收集的一部分，網(wǎng)絡(luò)中的燃?xì)馄餍枰?/p>

氣體安全檢查;

用高達(dá)28 vol%的氫氣進(jìn)行泄漏試驗(yàn);

使用高達(dá)28 vol%的氫氣進(jìn)行安全測試。

無一例外，所有在天然氣上安全且不泄漏的裝置在混合天然氣上都是安全且不泄漏的。

20 vol%氫氣混合物的最終推出不能依賴于檢查英國的每個家庭以確保氣體安全，并測試所有的燃?xì)庥镁摺Ｒ虼耍诨鶢栠M(jìn)行的適當(dāng)控制試驗(yàn)存在著一條路徑，確保證據(jù)基礎(chǔ)足夠令人信服，允許在不進(jìn)行干預(yù)的情況下混合氫。

通過進(jìn)行兩次進(jìn)一步的試驗(yàn)，可以在證據(jù)基礎(chǔ)允許的情況下逐步減少試驗(yàn)前干預(yù)。這兩個進(jìn)一步的試驗(yàn)將在2020年和2021年開始，每個試驗(yàn)將為大約700個家庭提供20%混合量的燃?xì)狻５诙卧囼?yàn)將在東北部的NGN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，第三次審判將在西北部的Cadent網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。

試用審批流程

為支持首次豁免申請，進(jìn)行了18個月的實(shí)驗(yàn)室、案頭和實(shí)地工作，重點(diǎn)領(lǐng)域是：器具;材料;氣體檢測;氣體特性;操作程序。

在以上每個領(lǐng)域都建立了一個全面的證據(jù)基礎(chǔ)，并制定了定量風(fēng)險評估(QRA)，以便將所有證據(jù)匯總到一個比較分析中。QRA側(cè)重于了解試驗(yàn)風(fēng)險概況并得出結(jié)論：含20 vol%氫氣的混合天然氣與天然氣一樣安全。

工藝設(shè)計(jì)

用于交付每次試驗(yàn)的操作設(shè)備將是一臺由ITM電力公司提供的0.5 MWe電解槽和一臺由蒂森公司提供的氫氣并網(wǎng)裝置(H2GEU)。電解槽將使用可再生電力，以確保產(chǎn)生的氫氣是低碳的。在每次試驗(yàn)中，一條中壓天然氣供應(yīng)管線將被改道至一個安全的混合裝置。混合裝置中氫氣將由電解槽產(chǎn)生，并與H2GEU內(nèi)的天然氣混合(見圖3)。

圖3：Hydeploy工藝設(shè)計(jì)

混合氣體將返回至中壓供應(yīng)管線，然后通過現(xiàn)有的調(diào)節(jié)站輸送至獨(dú)立的低壓供應(yīng)家庭。控制方案將使混合水平在工藝限制范圍內(nèi)最大化，同時保持在GS(M)R規(guī)定的沃泊指數(shù)限制范圍內(nèi)。沃泊指數(shù)是以MJ/m3計(jì)量的氣體能量輸送能力的度量。

在整個設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了嚴(yán)格的安全評估，包括保護(hù)層分析(LOPA)和HAZOP。電解槽和H2GEU設(shè)計(jì)為自動運(yùn)行，只有在停機(jī)后重啟運(yùn)行時才需要手動干預(yù)。

根據(jù)ALARP原則，每次試驗(yàn)都將確定電解槽和H2GEU的位置，以將風(fēng)險降至最低。每次試驗(yàn)交付后，電解槽和H2GEU運(yùn)至下一個試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行安裝和運(yùn)行。

混合途徑

HyDeploy的目的是為氫混合部署提供一個平臺。在計(jì)劃成功交付后，氫氣供應(yīng)商應(yīng)能夠申請豁免。這將啟動氫混合市場，使氫混合成為一種低碳?xì)怏w載體，與生物甲烷相當(dāng)。

氫混合有許多部署途徑，大批量供應(yīng)和P2G項(xiàng)目是兩個方向。

大量供應(yīng)氫氣混合氣，如Hynet項(xiàng)目，使混合天然氣得到廣泛應(yīng)用。Hynet旨在向英國西北部超過200萬消費(fèi)者提供氫混合燃料，同時實(shí)現(xiàn)西北工業(yè)集群的脫碳。生產(chǎn)方法將是通過自動熱重整(ATR)和CCUS基礎(chǔ)設(shè)施對天然氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，以脫碳并隔離二氧化碳。