英国油气报告（HyDeploy英国首个氢气天然气混合项目）
英国油气报告（HyDeploy英国首个氢气天然气混合项目）图2 电的碳比重图源：Clean Energy图1 产电的不同渠道 图源：Clean Energy但不可否认的是，社会从使用这种廉价、方便的能源中获得的收益并非没有后果。碳氢化合物的氧化释放出热能，该热能可以直接转化为功，尽管氧化过程还会产生二氧化碳和水蒸气。二氧化碳的产生是使用化石燃料的最大后果。在自然生态循环之外产生的二氧化碳，会使红外辐射困于大气中，导致全球变暖。温度是一切物理过程的最大决定因素。一切物质都可以分解为“亚原子汤“，越来越少以致快要没有物质去运动或相互作用。有机生命仅存在于相对狭窄的温度范围内，因此永久性干扰了作为承载和维持无数生命体的地球的稳态和能力。能源使用是社会发展的基本需求，并且二氧化碳的产生随化石燃料能源的使用而扩大，因此二氧化碳的产生是当前经济繁荣模式下难以消除的。这个关系是脱碳问题的核心，即如何在不促进二氧化碳产生的情况下，使我们依然能生活在一个繁荣的世界
HyDeploy是英国第一个证明了可以安全地将氢气混合进天然气供应系统，而无需更改设备和相关干扰因素的项目。该项目由Ofgem的网络创新竞赛资助，由Cadent Gas Northern Gas Networks Progressive Energy Ltd Keele大学，健康与安全实验室和ITM Power合作进行，是Ofgem有史以来最大的天然气创新项目。Cadent和Northern Gas Networks是该项目的发起人。英国Keele大学提供气体供应网络的主办站点，该网络将接受氢气混合物。健康与安全实验室负责科学实验室和实验相关所需的专业知识，ITM Power提供产氢的电解槽。Progressive Energy Ltd是项目的开发人员和负责人。
HyDeploy项目共分为三个不同的阶段。首先是建立一项较为宽泛的技术计划，旨在构建起详实、必要的证据基础，以支持向健康与安全执行委员会申请豁免《气体安全（管理）条例》（GS(M)R）第三条的要求，允许注入体积为20摩尔%的氢。当前英国对此的限制是0.1摩尔%的比例，所以申请到此项豁免是该计划所必需的。第二阶段重点聚焦于电解槽和输电网入口单元的构造，以及必备的管道和阀门，从而使氢能够混合并注入Keele大学的气体供应网络，并确保在注入之前对操作人员进行所有必要的培训。第三阶段是试验本身，该试验已于2019年夏季开始，持续约10个月左右。试用阶段还提供了其他与运营网络相关的进一步实验的机会，从而充分研究和利用本次混合气体实验。
HyDeploy的目的主要是建立初步证据基础，即可以将氢气混入英国的运营天然气供应网络，同时并不会给用户带来干扰，也不会以牺牲终端用户的安全为代价。如果本计划得以大规模部署，以20摩尔%的比例混合氢将释放29 TWh pa的脱碳热量，并可以为未来实现更深度的节能提供参考。全国范围内推广使用20摩尔%氢气混合物可减少的碳排放量相当于减少了250万辆汽车行驶。HyDeploy是英国一项具有开创性的项目，旨在通过氢气的发展使燃气网络脱碳，并为氢能领域的技术突破、实际操作与监管制度的完善提供一个很好的范例。
引言整个二十世纪，化石燃料的使用是社会结构空前变化和生活质量改善的原动力。利用这种高能量密度、可存储的能源，人类社会的方方面面都得到了改变。人的活动不再受限，全球经济也从供应能力有限转变为几乎具有无限潜力。因而，化石燃料对社会发展的影响很难被低估，所以如今将其简单粗暴地描述为“坏”或者“邪恶”也是视野非常狭隘的。
但不可否认的是，社会从使用这种廉价、方便的能源中获得的收益并非没有后果。碳氢化合物的氧化释放出热能，该热能可以直接转化为功，尽管氧化过程还会产生二氧化碳和水蒸气。二氧化碳的产生是使用化石燃料的最大后果。在自然生态循环之外产生的二氧化碳，会使红外辐射困于大气中，导致全球变暖。温度是一切物理过程的最大决定因素。一切物质都可以分解为“亚原子汤“，越来越少以致快要没有物质去运动或相互作用。有机生命仅存在于相对狭窄的温度范围内，因此永久性干扰了作为承载和维持无数生命体的地球的稳态和能力。
能源使用是社会发展的基本需求，并且二氧化碳的产生随化石燃料能源的使用而扩大，因此二氧化碳的产生是当前经济繁荣模式下难以消除的。这个关系是脱碳问题的核心，即如何在不促进二氧化碳产生的情况下，使我们依然能生活在一个繁荣的世界中。
在大多数现代经济体中，能源是通过三种系统提供的：电网、气网、以及石油的开采，加工和运输供应链。自从“气候变化”成为一个众所周知的词语后，脱碳的电力一直是政策制定者的重点。在英国，这些可以通过关闭燃煤发电站，并利用天然气、风能、太阳能和生物质能的替代来实现。该策略非常成功，从2013年到2017年，英国国内电力的碳比重降低了50%。这些活动的结果证明了只要有正确的关注点和监管机制，就可以实现重大变革。图1和图2说明了英国在电力市场中已经取得的结果。
图1 产电的不同渠道 图源：Clean Energy
图2 电的碳比重图源：Clean Energy
热能的脱碳仍是一个最大的未解决的气候变化问题。热能很难脱碳的原因是，当前形式的燃气网络非常适合用户的苛刻需求。
与电网不同，对燃气网的需求是随季节性变化，且每日都有起伏，如图3所示。这就会产生需求的波峰和波谷，当然它们可以很容易地通过管道和气压来适应，但对于电线和变压器就比较难满足。
图3 英国能源需求图源：National Grid Elexon and BEIS
电网无法自如应对燃气网的“高峰”需求状况，这其实是导致高温电气化不可能成为热能脱碳的主要手段的一个很重要的原因。燃气网每年提供的电能是电网的三倍以上，要进行更换将意味着要在三个电网的规模上进行建设。
氢将会在热的脱碳过程中发挥关键作用。由于氢在大气条件下是气态分子，因此可以用作燃气网内天然气的直接替代物。在欧洲，氢气混合的手段很常见，并且正在尝试将氢气的混合水平提高到20摩尔%。燃气网是高度精密的国家资产，遍布整个国家，连接到所有商业和工业场所，大部分的发电厂，以及几乎所有的住宅。因此，实现热能脱碳成本最小化的途径，还是要依靠燃气网的持续使用。将氢气引入燃气网提供了一条通向所有终端用户（工业和商业，发电厂和家庭住宅）脱碳的途径。从混合到本地传输系统，再到工业用户的转换，以及潜在的整体网络转换，Hydeploy可以采用多样灵活的形式。
英国燃气网络中，民用燃气曾包含过氢气。在发现北海储量之前，英国的碳燃气供应来自称为“民用燃气”的气化煤。尽管一氧化碳的含量对公众造成了安全隐患，但该气体中氢气的含量最高为50摩尔%。北海保护区的发现重新定义了英国的能源格局，以丰富、低成本的天然气替代了煤炭的开采和气化。GS(M)R定义了可以在天然气网络内运输的物质，其成分基于北海天然气的主要组成。北海保护区的天然气当然不会含氢，因此GS(M)R将氢含量的上限限制为0.1摩尔%，主要用于测量目的。因此，此上限的理由是监管上的便利，因为北海保护区的天然气基本不含氢。在气候变化的背景下，氢代表了低碳替代品，因此0.1摩尔%上限的规定现在正受到挑战。
除热能外，氢气还具有帮助电力和运输业脱碳的潜力。电力脱碳既可以通过使用氢气的燃气轮机来实现，也可以通过工业燃料电池来实现，以维持基本的负荷和灵活的供给，补充间歇性的可再生能源。至于运输脱碳，则可以通过在充电期间使用低碳电力或直接依靠燃料电池来实现。
在低碳经济中，无论哪种技术途径都有明显的优点。很明显，氢有潜力在整个跨系统的体系中发挥出至关重要的作用。
1. 项目结构
HyDeploy项目的目的是证明氢气可以安全地以20摩尔%的比例掺入英国的燃气网中，而不会损害终端用户的安全或需要调整现有终端设备。用户的安全一直是这个项目所有领域和技术聚焦的重点。该项目共分为三个阶段：
i）阶段1: 获得监管许可
ii）阶段2: 建设和准备
iii）阶段3: 试验。
1.1 第一阶段
第一阶段是一个为期18个月的科学计划，旨在确立和收集必要的实证基础，来证明氢是可以安全地混入Keele大学的私人燃气网络中。该方案包括三个主要内容：实验室的工作；网络设备测试；风险分析。所有这些工作都是为了向健康与安全执行官（HSE）申请豁免，以批准通过注入高达20摩尔%比例的氢。
健康与安全实验室（HSL）牵头实验室的工作，其重点是了解相对于天然气而言，20摩尔%比例的氢混合物的意义和后果。这项工程涉及测试各种家用电器，包括燃气锅炉，炊具和火炉。除了家用电器外，实验人员还进行了一项材料试验计划，为了了解将已知材料浸入氢气和天然气混合物中，其机械性会发生的变化。
实验室工作还包括研究相对于天然气而言，20摩尔%比例氢气混合物的气体特性。这项工作允许接受在操作程序范围内的建议，从而可以为Keele网络上的操作人员提供额外指导。其意义在于将纯粹基础科学的研究转变为在实际运营背景下的创新，并确保了所有程序的安全与适当性。
此外，与气体检测有关的实验也很重要。准确检测气体浓度是安全地操作气体网络的技术基础。所有相关的检测器均经过严格的测试，以确保可以准确解释由于氢的存在而引起的任何影响。
Keele大学的网站上同时还执行完备的设备测试计划。当地的气体安全工程师与气体测试专家Kiwa Gastec合作，对从Keele网络注入的氢气混合后的设备进行了一系列安全和性能测试。在101处本地建筑中，超过95%可以使用，剩下5%出现的问题也进行了资料收集和分析。此项工作的顺利展开为后期大规模的安装以及设备安全的论证提供了基础。
逐户测试对所有房屋进行燃气安全测试，从而了解燃气网络上设备运行性能的基准水平。任何被认为不合适或不安全的设备都会得到修正。之后再用一系列的测试气体对设备进行调试，以了解每个单独的设备如何引入氢气。由于混合气体的存在，没有设备需要进行补救工作。补救工作是基于设备的不安全或不合适。
逐户测试还对从Keele燃气网络馈电的商用热水器（最大功率为600kw）以及餐饮设备进行了装瓶测试。测试表明，所有在天然气环境下安全运行的设备（运行性能和泄漏测试），在含20摩尔%氢的混合物中也都安全。
第一阶段的最后一个要素是汇总所有试验结果和运营测试，来进行Keele燃气网络的定量风险评估（QRA）。QRA由天然气行业安全专家Dave Lander Consulting和Kiwa Gastec共同领导。
风险评估的步骤包括使用参考数据构建起气体分配网络的故障树模型，再将模型缩放到Keele网络中，以量化网络的基准风险水平。选择Keele作为宿主站点的部分原因在于它是一个非常安全的站点。研究人员仔细检查每个输入参数，并在必要时进行修改，以调整氢气所带来的影响。将每个置换和缓解措施分别纳入模型后，都会与基准风险进行比较。QRA表明，输送高达20摩尔%的氢的混合气体，并不会损害终端用户的安全。
第一阶段中生成的事实基础已提交给HSE。通过严格的挑战和审查程序，HSE豁免了GS(M)R附表3中的氢限制，允许将20摩尔%比例的氢混合入Keele大学燃气网络中用于试验目的。豁免的授予标志着第一阶段的结束和第二阶段的开始。
1.2 第二阶段
HyDeploy的第二阶段主要是项目的建设和运营准备，已于2019年夏季在Keele燃气网络展开实验，如图4所示。
图4
Keele大学的G3网络图源：Clean Energy
第二阶段要安装的设备包括：
i）0.5兆瓦电解槽；
ii）将氢气与天然气混合的输电网入口；
iii）网络中的采样点，用于在试验期间进行监控。
除以上主要设备外，还需安装一些其他实验设备。实验包括材料测试，以便了解混合气体的实际条件如何影响普通材料的机械性能。除材料工作外，还将对家用锅炉进行加速测试。
设计和建造过程已遵循国家和国际设计标准，并在整个过程中采用了“合理可行性的最低原则（ALARP）”。对严谨性的关注有助于工程解决方案的开发。与此同时，工作人员也研发了针对设备的工厂验收测试程序。
气体分配网络的运行需要使用程序来响应事件并开展工作。在第一阶段，Cadent Northern Gas Networks (NGN)和Keele大学的专家对所有相关的操作程序进行了审查，以进行了有针对性的补充指导，对气体检测仪器部分修改来解决氢气的影响。在第二阶段，Cadent、Keele大学和包括第三方承包商在内的所有相关操作员都将根据指定的指南进行培训。
操作工的培训和检验是第二阶段的关键，只有在完成培训检验后才能参与到注入氢气的工作。所有相关操作工作者完全有能力在包含氢气混合物的燃气网络上工作，是保证此项实验成功、安全进行的必要前提。
在第二阶段将进行基准调查和电网监控，构建使用电网的详细记录。该数据集将与实验期间获取的燃气网络和调查数据进行比较。
第二阶段同时还会向受影响的Keele网络上的所有居民提供进一步的天然气安全性检查。通过重复进行气体安全检查，该实验将进一步建立起社会对混合气体网络完整性的信心。
建设、培训和燃气网络准备工作一直进行到了2019年的夏季。此后，试验的部分将正式开始。
1.3 第三阶段
第三阶段是试验本身，预计将持续10个月。该试验的目的是证明可以在不损害终端用户安全的前提下将氢气成功混入20摩尔%比例的天然气供应网络中。
在夏季进行试验是为了避免冬季——天然气需求的高峰期（服务需求达到顶峰）。通过进行为期10个月的试验，我们可以捕获夏季的天然气需求低点与冬季的高峰值。
在整个试验过程中，工作人员都在进行严格的监控，包括过程设备、输电网的各项指标以及其他应用设备。这种细致、全面的操作检查确保了输电网和终端设备始终安全并能正常运行。关于输电网和其他监测技术的调查也会一并进行，并将调查结果与试验前的基准数据进行比较，以衡量由于氢气的加入而产生的任何增量影响。
成功进行注射实验后，物理设备将“退役“。之后，该输电网将恢复到原先只有天然气的运行状态。
2. 科研成果
第一阶段的科学计划是为了给HSE提供豁免申请所需的技术事实，它们包括设备、气体特性、气体检测和材料等。以下将简单总结每个领域的核心结果。
2.1 设备
实验室的设备测试具有两个总体目标：
i）测出在不同设备中引入氢气混合物后，其表现与性能（的改变）；
ii）了解某些设备在燃气含氢方面的可操作性极限。
首先展开的工作流程包括选择各种家用燃气用具，涵盖了燃气灶具、火炉和锅炉。每个设备都以恒定的测试压力供给13种测试气体，每种测试气体都着重于不同的反应结果或火焰特性。测试气体由参照气体的混合物（G20/G21/G23/G222）和氢气组成，最高浓度为含28.4摩尔%氢气的G20（甲烷）。
每个设备都装有仪器准确表征燃烧效果。工作人员还在关键部件上安装了热电偶，同时进行压力测试和烟气分析，确保对所有需要关注的设备都进行严密观测和记录。
气体燃烧测试会评估设备的性能。所有测试气体都能成功进行燃烧。热电偶的数据表明测试燃烧过程中没有组件过热的危险。即使在混合环境下运行，燃烧仍保留了其特征性的火焰颜色，尽管颜色会略微减弱。氢气能使火焰稳定，因为氢气具有较高的火焰速度。工作人员对缺氧传感器（ODS）进行了测试，缺氧时火焰会从热电偶退去，此时传感器会切断燃料供应。
测试表明，使用ODS设备燃烧仍需要进一步的测试工作，才能充分了解设备的基准可变性，以实现更广泛的推广。
煤气炉的结果表明，引入氢气后，所有关键组件的温度均保持在可接受的范围内。改变燃料成分可以观察到热电偶读数的变化，但是其变化并没有表明部件存在过热或潜在退化的情况。烤箱内的压力始终保持在安全性能规范内。图5和图6显示了纯甲烷与含28.4摩尔%氢气的甲烷相比的火焰外观。可以看出，两者差异很小。
图5 100%纯甲烷的火焰图源：Clean Energy
图6 甲烷 28.4摩尔%氢气混合物的火焰图源：Clean Energy
燃气炉测试的重点是烟气分析以及内部温度测量和火焰电离电流。每种测试气体（包括高达28.4摩尔%的氢气）的火焰均表现稳定，并实现了完全燃烧。加入氢气后，二氧化碳的读数最多降低了0.5摩尔%，这一结果符合预期。此指标将作为维修的一部分持续监测。
临界温度读数表明了燃烧器板和热交换器等组件的一些特征。与燃气灶非常相似，我们可以从这些读数中观察到变化，但还不足以下结论。如预期的那样，火焰电离电流随着氢气的加入而减少，但它不会损害设备的安全保护功能。对于少数使用火焰电离电流控制燃料/空气比的设备，在试验中确实观察到了一些控制行为的明显差异，但仍不构成安全隐患，所以不必过虑。工作人员还会对此类控制方案进行进一步的测试。
基准运行测试之后，工作人员进行了极限测试以确定设备样本的运行极限。该测试通过改变燃料组成，也就是不断增加氢气含量，来研究何种程度才会引发运行故障。
氢气为燃气设备带来的最大改变便是提高火焰速度，这会导致火焰以高于烟道/空气混合物的速度传播而导致熄火。在试验中，尽管有些设备仅当存在100摩尔%的氢气燃烧时才会突然熄火，但大多数设备的熄火都发生在混合了80摩尔%氢气时。被测设备的可操作性极限远远超过了此前设定的最高20摩尔%的操作极限。不过这个极限测试只是为后期更进一步的测试做了一个铺垫，还需要其他方面的综合测试，以便为未来投入实际应用做好安全保障。
总体而言，实验室测试表明，在所测试的各种家用电器中，他们都能在氢气浓度高达28.4摩尔%的情况下安全运行。应当注意在英国销售的所有燃气用具均已通过参照气体G222认证，该参照气体包含23摩尔%的氢气。
来源：Clean Energy
作者：Tommy Isaac
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