2021年,美国天然气产量约为9600亿立方米,俄罗斯约为7635亿立方米,我国约为2053亿立方米。
我国天然气年消费量、增长量和进口量巨大,进口依存度超过45%,超过欧盟40%的对外依存度。
2022年欧洲天然气价格剧烈波动,价格区间为120~180欧元/兆瓦时,约合人民币8.85~13.27元/立方米,8月26日峰值曾高达340欧元/兆瓦时,约合人民币25.07元/立方米。
11月23日,欧盟提议天然气最高限价为275欧元/兆瓦时,约合人民币20.28元/立方米,远超市场预期。
[注:1兆瓦时=1000千瓦时=3.6亿焦耳≈104立方米(75千克)天然气≈281立方米(25千克)氢气。
]目前,我国天然气门站价为1.8元/立方,市售价约为2.18~3.20元/立方,短期未受到外界的过大冲击,但欧盟的前车之鉴,需要我国未雨绸缪,多措并举。
天然气掺氢,是部分替代天然气消费的环保途径,也是氢能规模化应用的重要方向,利用我国既有的天然气管网体系,作为氢气运输的绿色通道,是氢能产业破局和产业培育的重要环节。
我国天然气管网体系及流向2021年我国在“朝阳可再生能源掺氢示范项目”中,首次开始尝试天然气掺氢,掺氢体积比为10%,并稳定运行超过1年。
德国已于2019年开展相关应用。
天然气掺氢,是将氢气,按一定体积比例(如10%),掺入天然气中,形成混合气体,并通过现有天然气管网输送到终端用户,直接替代天然气使用的一种能源技术。
若全面推广,一年替代天然气的消费量,预计可达500多亿立方米。
天然气主要成分为甲烷,密度为0.7174千克/立方米;氢气的密度为0.0899千克/立方米,氢气燃烧的最终产物为水,当氢气的体积含量在9.5%以上,且在65%以下时,气体燃烧顺畅平稳。
大量研究结果表明,天然气适量掺氢的混合气体燃烧,能够改善终端设备的燃烧性能,减少氮氧化物污染和二氧化碳排放。
每标准立方米的燃烧热值:天然气为8000~8500千卡,或33487~35580千焦;氢气为3057千卡,或12797千焦。
每千克的燃烧热值:天然气为11151~11848千卡,或46678~49596千焦;氢气为34008千卡,或142351千焦。
天然气按体积比10%掺氢,混合气的密度为0.65465千克/立方,每立方燃烧热值为7536~7986千卡,或31546~33430千焦;每千克的燃烧热值为11465~12152千卡,或47991~50866千焦;可减排二氧化碳和氮氧化物10%以上。
天然气按体积比10%掺氢,混合气与天然气的价格基本相当:(1)按成本构成计算,混合气的单价为1.8897元/立方。
天然气按1.8元/立方米计,氢气按30元/千克计;若绿电成本不超过0.30~0.50元/千瓦时,则电解水制氢的理论成本约为16.8~30.0元/千克。
目前水电、光伏、风电都具备制氢成本条件。
(2)按等体积等价计算,混合气的单价为1.8000元/立方。
天然气按1.8元/立方米计,氢气按20.0223元/千克计;若绿电成本为0.15~0.30元/千瓦时,则电解水制氢的理论成本约为8.4~16.8元/千克。
目前水电、光伏和陆上风电具备制氢成本条件。
(3)按等热值等价计算,混合气的单价为1.6866元/立方。
天然气按1.8元/立方米计,氢气按7.41元/千克计;若绿电成本为0.1元/千瓦时,则电解水制氢的理论成本为5.6元/千克。
目前水电和离网光伏、离网陆上风电具备制氢成本条件。
2021年3月,我国首个光伏电解水制氢储能研究与示范项目在宁夏投产,规模为10×1000Nm3/h,设计年产氢气1.6亿立方米,约14.5万吨。
天然气、氢气和掺氢混合气的燃烧热值和密度数据