為實現(xiàn)英國溫室氣體排放目標且做出重大貢獻，英國氫能基礎設施部署計劃將需要在未來30年內實施，并且規(guī)模是“相當大”的。這個時間表顯然雄心勃勃，與電力和天然氣基礎設施的發(fā)展形成鮮明對比，電力和天然氣基礎設施已經發(fā)展了大約150年。

雖然氫氣已經被大量應用于工業(yè)生產中，氫氣的生產是十分成熟的技術，但對于能源應用領域，關于氫的經驗仍然十分有限，還沒有網絡向英國或其他地方的家庭和企業(yè)提供100％氫氣的例子。任何大規(guī)模部署氫的提議都需要得到足夠重視，以彌補經驗的不足和時間表的加速。因此，在開始大規(guī)模部署計劃之前，必須確定并全面解決工程風險和不確定性。

為了大規(guī)模在工業(yè)、家庭和企業(yè)的天然氣網絡中部署氫氣，英國化學工程師學會（IChemE）、工程與技術學院（IET）、機械工程師學會（IMechE）等機構共同發(fā)布了《向氫能過渡》報告，從專業(yè)技術角度評估轉變過程中的工程風險和不確定性。從報告中他們提出了包括安全、技術在內的關鍵性的問題。

雖然我國目前與英國的能源結構和所處的環(huán)境差別巨大，但作為氫能是未來能源發(fā)展的重要方向，該報告提出的問題值得借鑒和思考，總結了報告中的十個主要問題如下：

問題1－是否存在與氫氣質量和安全相關的問題，會妨礙特定技術的使用？

針對質量控制和監(jiān)測需要特別考慮氫氣純度的建議。這需要考慮到出于安全原因所需的氣味劑、火焰著色劑，以及常年使用加臭天然氣造成污染而引起的雜質。應確定對特定技術使用的氫氣的限制，以及提出如何解決這些問題的建議，例如：“為燃料電池提供高純度氫氣。”

問題2－氫能源網絡對公共安全的風險以及如何將這些風險控制在可接受的水平？

氫與天然氣不同，但與其使用相關的風險有相似之處。重要的是要了解風險級別有何不同，以及為何不同。需要評估和解決這些差異，特別是在將消費者場所內的天然氣基礎設施重新用于氫氣的情況下。風險可以分為與網絡相關但存在于公共環(huán)境中的風險，以及存在于消費者場所的風險。例如：

－ 網絡

包括用于連接、維護和修理的輸送氫氣和相關泄漏檢測的管道、配件、其他組件和基礎設施。在緊急情況下的緊急程序修訂、管理人員和操作人員培訓以及急救人員的現(xiàn)場行動等。

－消費者場所

包括電器、氫氣通風要求等。評估需要認識到，消費者場所存在的風險是不受控的，受到的干擾意外損壞將會更大。

當然存在與氫氣生產相關的風險，但都是在受控制的工業(yè)環(huán)境中，并且工業(yè)環(huán)境中已經具有相當多的經驗。

問題3－將建筑物的天然氣基礎設施（管道、電器、通風）與氫氣一起使用，需要哪些改造？

消費者場中在氣體基礎設施和電器方面基本上沒有記錄，呈現(xiàn)出一種無法控制的環(huán)境。例如，現(xiàn)有房屋中的燃氣管道可能包含不符合現(xiàn)代標準的不同材料（鋼、銅）。建筑物的通風要求也可能與氫氣的要求有所不同，從而需要其他形式的探測器監(jiān)測泄露。氫氣基礎設施及其在消費者場所內的使用沒有標準，也沒有相關的足夠多的知識、資源和經驗。如果轉換為氫氣，需要更換所有天然氣基礎設施和設備，必需要確定成本和轉換后果，并將其納入其他所有的部署計劃。

然而，氫的部署也提供了增加裝置安全性的機會。例如，拆除被認為不安全的燃氣器具以及升級管道和其他基礎設施。

問題4－需要哪些RD＆D（研究、開發(fā)和驗證）計劃才能決定大規(guī)模部署氫氣？

除了工業(yè)之外，在英國或其他地方都沒有氫氣的商業(yè)或家用使用經驗。盡管英國和全球其他地方在氫氣生產和輸送方面擁有相當多的經驗，但這主要限于石油化學工業(yè)領域。目前，大多數(shù)評估氫系統(tǒng)的研究都是基于成本、部署和性能假設的“桌面分析”。氫氣的大規(guī)模部署將需要生產、輸送、分配、儲存和消費技術，而相關技術的經驗很少或沒有。這將需要一個綜合的研究和開發(fā)計劃部署，來評估各種技術的商業(yè)化。

問題5－向氫轉變會對公眾產生怎樣的影響？

公眾的支持和接受度對氫的部署至關重要。提高公眾意識必須成為政府和工業(yè)界的優(yōu)先事項，需要進行全面評估，以了解向氫轉變對家庭和商業(yè)消費者的影響。

問題6－與氫基礎設施相關的核心績效和成本假設是什么？未來改進的范圍是什么？

與氫系統(tǒng)部署相關的核心性能和成本數(shù)據(jù)主要是基于假設或工業(yè)應用的數(shù)據(jù)。因此，需要識別和解決與這些假設相關的不確定性。例如，使用CCuS的蒸汽甲烷重整僅限一處，并且目前還沒有使用CCuS的自熱重整（ATR）單元。

需要定期收集和審查以作為證據(jù)的一個例子是BEIS的包括用于加熱的氫氣的“熱技術研究”。這有助于確定關鍵成本、性能不確定性以及需要進一步研究和調查的地方。還包括氫氣生產工廠提供靈活支持的能力以及對效率等其他參數(shù)的影響。

將氫氣部分替換到天然氣系統(tǒng)（體積計高達20％的氫氣）可以提供獲得可行的成本和性能數(shù)據(jù)，而不會產生與高純度氫氣相關的成本，例如更換家用電器。但仍然需要可擴展的商業(yè)規(guī)模的氫生產設施以及CCuS基礎設施。IGEM和IMechE已經推薦了向天然氣中添加氫氣的方法，并且與英國政府在2019年春季一致聲明，即加速“通過增加電網中綠色氣體的比例來減少天然氣供應”。

問題7－大規(guī)模部署氫氣對家庭和企業(yè)環(huán)境有什么影響？

需要進行環(huán)境評估，以評估大規(guī)模部署氫氣所產生的影響。已經進行了初步研究，并確定了進一步的工作，特別是在上游排放方面。這需要涵蓋從生產到消費的方方面面，包括原料和廢物流。它還需要評估包括來自燃燒的排放物，例如NOx、水蒸氣和來自“意外后果”的任何環(huán)境風險。

問題8－如何向氫氣過渡？

以前沒有在任何地方進行氫的大規(guī)模改造部署，因此存在許多不確定性。盡管對20世紀70年代天然氣的部署進行了比較，但城鎮(zhèn)燃氣的依賴程度遠遠低于目前，當時天然氣占英國最終能源消耗總量的10％，而2017年則超過了50％。向氫的過渡將帶來巨大的挑戰(zhàn)，這可能意味著對調度的限制，例如，在空間采暖季節(jié)之外，為了盡量減少供氣中斷對消費者的影響。

需要制定詳細的交付計劃，其中包括在決定開始大規(guī)模部署（例如＞ 10000個家庭）氫氣之前必須完成的所有各種活動。

與此同時，需要調查工業(yè)轉向氫的潛力。一些工業(yè)應用（例如蒸汽升溫和熱水鍋爐）似乎適合使用現(xiàn)有的技術轉化為100％氫氣；其他應用可能還存在挑戰(zhàn)。

問題9－批量生產氫有哪些選擇？

低碳氫的經濟化批量生產對于氫能源系統(tǒng)的可行性至關重要。甲烷蒸汽重整（SMR）已在工業(yè)中使用了近100年。碳捕獲的程度＜90％，然而，目前全球只有一家SMR工廠擁有CCuS。用于替代熱化學過程制氫的是自熱重整（ATR），可以允許更高水平的碳捕獲，可以達到＞ 95％的水平。然而，沒有ATR工廠擁有CCuS，如果這項技術支持氫的大規(guī)模部署，那么它需要被證明并且商業(yè)化。

其他形式的氫氣生產包括電解、生物和太陽能，所有這些形式都處于不同的發(fā)展階段。目前，這些技術中沒有一種能夠與天然氣競爭并商業(yè)化批量生產。這些技術和其他技術的未來發(fā)展?jié)摿π枰�進一步研究。

從生產成本較低的國家進口氫氣的可行性也值得調查。例如，當安裝在太陽輻射高于英國的地方時，太陽能光伏發(fā)電成本要低得多。但是，需要運輸氫氣，并且可能存在其他額外成本，例如電解所需的水。

問題10－在決定向氫氣轉換之前，是否可以采取任何可以加速轉變的行動？

部署氫氣的詳細計劃將有助于確定過渡的“關鍵路徑”，從中可以評估先期行動成本。例如，制造適應氫氣的燃氣器具將減少更換成本且更易于向氫氣過渡。其他行動可能包括勘測建筑物以評估轉換為氫氣的準備情況，并加速聚乙烯替換“有風險”的鐵制管道。

轉換前后的評估調查對于過程的安全可靠至關重要。所有這一切都必須得到一系列不斷放大的試驗支持，例如從四個小型社區(qū)試驗到兩個較大的社區(qū)試驗。從而獲得經驗，并提供證據(jù)基礎以支撐任何基礎監(jiān)管程序的發(fā)展。

可以考慮用氫氣部分替換天然氣，因為這樣可以獲得早期經驗，而不需要許多用戶更改他們的設備，例如，氫氣生產、CCuS、氫氣基礎設施的發(fā)展、氫氣／天然氣混合物的工業(yè)用途。

文／錢海