石油和天然气

将一个城市从天然气转换为氢气

气火焰
  • H21计划表明,一个城市的天然气供应可以使用100%的氢气脱碳

  • 将现有的天然气网络转换为氢气在技术上和经济上都是可行的

  • 测试正在证明这种开关的安全性

  • 该计划可以支持低碳和零碳氢成为世界主要能源载体的理由

虽然燃烧天然气排放的碳约为同等数量的石油或煤炭的一半,但燃烧氢气(H2)气体在使用时不排放。

蒸汽-甲烷重整(SMR)是分离天然气(主要是甲烷)生产氢的主要工艺2和二氧化碳(CO2).氢气可以作为低碳燃料,同时捕获CO2可以通过碳捕获和储存(CCS;图1)。

一些燃气分配系统运营商(DSO)认为H2可以使现有天然气基础设施的持续经济使用在脱碳的世界中更容易被社会和政治所接受。

英国北方天然气网络公司(NGN)就是这样一个运营商,其H21项目主管Dan Sadler负责管理H21项目。这个由政府资助的项目,由NGN代表英国DSOs领导,正在研究和测试H2在英国现有的天然气网络中他说:“我们的目标是为客户提供天然气的所有好处,而不产生碳足迹。”

图1:主燃气的碳足迹
图1:天然气管道中100%天然气的碳足迹与与碳捕获和存储相关的蒸汽甲烷重整(SMR)中不同比例氢气混合的天然气的碳足迹的比较。(图表:DNV GL乐动体育登录来自DECC/Communities SAP 2012发布的数据)
如果现有的配电网络不能在脱碳能源结构中重新利用,它可能会有效地成为客户已经支付的搁浅资产。”
丹·萨德勒
  • H21项目主任
  • 北方天然气网络

H21方案是基于最初的H21利兹城门项目。该项目使用建模方法来演示将这个英国大城市的天然气(主要是甲烷)网络转换为100%低碳氢的技术和经济可行性(图2)。

在H21的愿景中,低碳的H2最初将由SMR或称为自热重整的过程提供。供应将过渡到完全可持续的H2从全球的可再生能源中。1、2

萨德勒指出:“全世界都在关注H21,世界各国在履行《巴黎协定》和《京都议定书》规定的义务方面面临着同样巨大的挑战。许多公司总能源的40-60%来自天然气,H21背后的愿景激发了全球对氢气的兴趣,因为该解决方案在全球范围内适用,并允许在使用点大量供应氢气。”

与其他已建立天然气分销网络的国家一样,大多数基础设施使用H2在英国已经存在。萨德勒解释说:“从基础设施的角度来看,我们需要新的氢气生产设施、CCS和新的氢气输送管道系统。与英国现有天然气分销网络资产的长度相比,这是非常小的。但我们首先需要对重要的安全案例和战略问题给出基于证据的答案。”

安全案例

H21规划中的一个重要项目旨在到2021年提供基于安全性的定量证据,以确认100% H2电网将与目前供应天然气和/或煤气的网络具有相当的安全风险。后者的这些气体是易燃的,气体燃料混合物含有50%的氢。例如,它是通过煤的无氧燃烧,或从石脑油或天然气/石脑油原料制成的。

这项安全研究是一项价值1000万英镑的H21网络创新竞赛(NIC)计划的重点,该计划涉及所有英国dso,并得到了英国天然气和电力市场监管机构Ofgem的支持。乐动体育登录DNV GL是参与其中的五个主要合作伙伴之一。该公司的Spadeadam测试和研究中心参与关键性研究,其研究结果将用于定量风险分析。

图2:基于H21利兹城门项目的管道氢气分配概念
图2:现有的天然气网络基础设施可以运输天然气,其中主要是甲烷(CH4)和甲烷/氢(H2)混合物。H21利兹城门项目证明,将英国城市的天然气网络转换为100%由蒸汽甲烷转化提供的H2并储存在陆上盐洞中是可行的。这一过程产生的二氧化碳将被捕获并储存在海上的枯竭气藏中。(图:DNV GL基乐动体育登录于NGN的H21利兹城门概念)
如果我们要实现即将到来的气候变化目标,我们就需要加强实现清洁氢能源的意愿和方式;这是一个巨大的挑战。”
安迪·卡明斯
  • 主要顾问
  • 乐动体育登录DNV GL -石油和天然气

DNV GL - Oil & Gas的首席顾问Andy Cummings解释说:“我们正在进行一系列不同的实验,以检查氢气的行为,如分散速率、潜在的点火源和对大量释放的分析。”Andy Cummings负责Spadeadam H21测试设施的在建项目管理。乐动体育登录“这些结果将有助于评估安全性和操作方面,并为DNV GL咨询团队进行的总体定量风险评估提供依据。”乐动体育登录

这项工作是建立在对天然气进行实验研究的基础上的,该研究是将煤气从城镇煤气转换为天然气的一部分,并将使安全风险的任何变化得以减轻。

向英国大片地区供应氢气的新概念

一旦安全证据到位,停止将天然气分销网络转换为100% H的“除了政治意愿之外没有什么”2萨德勒说。

证明了将一个大城市的天然气电网转换为100% H的技术可行性2在美国,H21项目现在将详细描述整个地区的天然气供应如何发生类似的转变。

NGN将于今年11月(2018年)发布英格兰北部(NoE) H21项目。这是将整个区域转换为H的“概念设计”2在2028年到2035年之间。该地区每年消耗约85太瓦时(TWh)的天然气。它拥有370万个煤气表点,12.5%的英国人口分布在布拉德福德、哈德斯菲尔德、赫尔、利兹、利物浦、曼彻斯特、蒂赛德、泰恩赛德、韦克菲尔德和约克等地区。

该项目设计包括一个12.15千兆瓦H2生产设备;8太瓦时的季节间储存;所有相关陆上基础设施;到2035年,相关CCS计划的需求将扩大到每年2000万吨。

对政府来说,这是一个可信的政策选择

萨德勒建议,在2023年H21 NIC和氢热(Hy4Heat)计划提供的最后一批关键安全证据完成后,H21 NoE项目可能是英国政府可靠的第一政策选择。Hy4Heat是一个由政府主导、耗资2500万英镑的示范项目,名为“电表下游”。它的目的是确定用氢取代甲烷在技术上是否可行和安全2用于商业和住宅建筑及燃气用具。

对于提倡H2英国政府2017年10月的“清洁增长计划”显示,天然气网络将100%转为H2作为大规模脱碳的可靠选择之一。

像大多数国家一样,英国承诺根据《巴黎协定》减少温室气体排放。它面临着世界各地都熟悉的挑战:2017年,英国1600太瓦时的能源消耗中,44%用于供热,其中天然气占三分之二(67%)。3.

萨德勒强调说:“很难使供暖需求脱碳。“因此,H21项目的重要性,在即将发布的H21 NoE报告中,该项目将展示英国天然气配电网中100%的氢气意味着使用成熟的参考技术将减少94%的温室气体排放。”

一个新的天然气总体规划

到目前为止,教育公众一直是H21面临的主要挑战,Sadler说:“我们需要改变这样的观念,即电力与天然气或石油相比,一定要有一种能源是‘赢家’。我们真的需要一切来提供安全的、负担得起的、可持续的能源。这一选择应基于在现有的时间范围内可以建立哪些有保障的低碳系统。”

如果要履行应对气候变化的义务,世界能源体系就必须改变,他补充说:“在同等规模下,氢的破坏性要小得多,而且比其他任何替代能源都便宜得多。它可以在适当的规模和适当的时间完成,以履行国际和国家对能源脱碳的义务。”

氢易于交易和运输,其大规模生产将催化广泛的新经济机会,并支持氢的更快、更广泛的传播2他总结道:“当你看到所有的好处时,你只要问问自己:为什么你不想这样做呢?”

参考文献

  1. “H21利兹城门:完整报告”,NGN, Wales & West Utilities, Kiwa, Amec Foster Wheeler, 2016年7月
  2. “H21更新”,RIIO: NIC, Cadent, NGN, SGN,威尔士和西部公用事业公司,2018年3月
  3. 《英国能源消费:2018年更新》,商业、能源和工业战略部,2018年7月

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