家用燃?xì)饩叩奶寂欧趴刂?，目的在于減少燃?xì)馐褂眠^程中產(chǎn)生的溫室氣體，未燃燒的天然氣直接排放、燃燒過程中二氧化碳和二氧化氮排放都是碳排放控制的重點(diǎn)。長遠(yuǎn)來看，燃?xì)獾牧闾悸窂教剿?，將助力家用燃?xì)饩邤[脫“天然氣”的束縛，真正實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。可再生能源不僅可以轉(zhuǎn)換為電力，也可以轉(zhuǎn)換為燃?xì)?。家用燃?xì)饩哂每稍偕細(xì)獾难芯亢烷_發(fā)工作，目前主要圍繞生物天然氣、合成天然氣和氫氣的開發(fā)利用課題展開。

可再生燃?xì)獾奶寂欧艑傩酝ǔ＞邆涞吞蓟蛄闾继卣?，雖然生物天然氣和合成天然氣的成分與常規(guī)的化石天然氣相同，主要成分為甲烷，在燃燒時(shí)排放二氧化碳水平與常規(guī)天然氣無異，但是，生物天然氣和合成天然氣的制備過程是減碳過程。制備生物天然氣的植物在生長過程中需要吸收大氣中的二氧化碳，從而減少大氣中的二氧化碳；利用二氧化碳和氫氣制備合成天然氣的過程中，所需的二氧化碳通常是從二氧化碳排放源中獲得，從而避免了這些二氧化碳的排放。由此可見，生物天然氣和合成天然氣是以碳循環(huán)方式實(shí)現(xiàn)零碳排放，未來將成為城鎮(zhèn)天然氣的組成部分，對燃?xì)庑袠I(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)發(fā)揮積極的作用。

氫氣則是完全避免與碳排放過程相關(guān)，當(dāng)氫氣制備過程是利用可再生能源實(shí)現(xiàn)，從制備到燃燒就都不存在碳排放問題。因此，當(dāng)氫氣成為可再生能源載體，本身就是零碳燃?xì)?。零碳燃?xì)膺M(jìn)入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)，必將有效減少家用燃?xì)饩叩奶寂欧庞绊憽?/p>

下文將對燃?xì)鈱?shí)現(xiàn)零碳的三大路徑分別進(jìn)行探討，希望能夠?yàn)榧矣萌細(xì)饩咝袠I(yè)探索低碳發(fā)展之路時(shí)提供新的思路。

路徑一：生物天然氣

2019年底，國家發(fā)展和改革委員會(huì)、國家能源局等十部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)生物天然氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，其中將生物天然氣納入國家能源體系。該指導(dǎo)意見提出，到2025年，生物天然氣年產(chǎn)量超過100億立方米；到2030年，生物天然氣年產(chǎn)量超過200億立方米。目前，中國生物天然氣年產(chǎn)量不足1億立方米，未來市場發(fā)展空間廣闊。

生物質(zhì)燃?xì)獾拈_發(fā)利用目前有多條技術(shù)路線的研究工作正在展開，其中利用沼氣制備生物天然氣是進(jìn)展較快的技術(shù)路線。沼氣通常來源于養(yǎng)殖業(yè)的廢棄物，隨著生物天然氣需求的增長，來源相應(yīng)擴(kuò)大，農(nóng)作物的秸稈等都可以用于制備生物甲烷的原料，從而使得潛在的生物天然氣的供應(yīng)規(guī)模得以大幅度增加。生物天然氣的主流制取方法是利用生物反應(yīng)獲得沼氣，其主要成分為甲烷和氮?dú)?，其中氮?dú)獾谋壤ǔ３^40％，提純加工獲得的生物天然氣，可以將甲烷的比例提高至常規(guī)天然氣的水平，克服沼氣熱值低、成分復(fù)雜、參數(shù)不穩(wěn)定等缺陷，使得生物天然氣具備進(jìn)入常規(guī)天然氣管網(wǎng)的條件。除了沼氣之外，生物天然氣還可以利用生物質(zhì)熱解氣、垃圾填埋氣等含甲烷原料氣，以及利用生物質(zhì)液態(tài)燃料，如甲醇、乙醇等制取，只是從可持續(xù)發(fā)展的角度，這類生物質(zhì)燃料的獲取應(yīng)盡量避免消耗糧食類的原料。

中電建蘭考生物質(zhì)制氣有限公司

NB/T 10489-2021《進(jìn)入天然氣長輸管道的生物天然氣質(zhì)量要求》的發(fā)布和實(shí)施，意味著在生物質(zhì)能源資源豐富地區(qū)制取的生物天然氣，可以利用既有的天然氣輸送管道進(jìn)行長距離輸送，同時(shí)也可以利用城鎮(zhèn)燃?xì)馀渌凸芫W(wǎng)向終端用戶輸送。這使得可再生燃?xì)獾妮斔途邆淞祟愃瓶稍偕娏Φ奶卣??？稍偕娏梢酝ㄟ^與電網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送，從而實(shí)現(xiàn)常規(guī)電力的替代；與之類似，可再生燃?xì)庖部梢岳眉扔械妮斔拖到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)常規(guī)天然氣的替代。迄今為止，中國已經(jīng)發(fā)布了GB/T 40506-2021《生物天然氣 術(shù)語》、GB/T 41328-2022《生物天然氣》、NB/T 10136-2019《生物天然氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等一系列國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著生物天然氣規(guī)模化應(yīng)用的條件日臻成熟。未來，燃?xì)夤芫W(wǎng)中燃?xì)馓寂欧潘綄㈦S著可再生燃?xì)獗壤脑黾佣档汀?/p>

2021年底，河南蘭考儀封項(xiàng)目生物天然氣成功并入市政管網(wǎng)。該項(xiàng)目日產(chǎn)2.5萬立方米生物天然氣（日產(chǎn)5萬立方米沼氣），項(xiàng)目投產(chǎn)后是國內(nèi)規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的生物天然氣項(xiàng)目，正常年達(dá)產(chǎn)后，可年處理玉米秸稈3萬噸以及其他養(yǎng)殖業(yè)廢棄物。項(xiàng)目將農(nóng)作物秸稈、養(yǎng)殖業(yè)廢棄物等有機(jī)廢棄物產(chǎn)生出沼氣和消化液。沼氣作為生物質(zhì)能源，進(jìn)行凈化后作為生物天然氣進(jìn)入市政燃?xì)夤芫W(wǎng)，項(xiàng)目同時(shí)還生產(chǎn)有機(jī)肥料就近利用。

丹麥?zhǔn)菤W洲的天然氣出口國，天然氣在一次能源消費(fèi)占比約為15%，但是目前丹麥國內(nèi)天然氣供應(yīng)量中約有10%是來自生物天然氣，預(yù)計(jì)到2050年丹麥全國的天然氣供應(yīng)量將下降到目前水平的50%，且全部為生物天然氣。丹麥的生物天然氣起步于20世紀(jì)70年代的第一次能源危機(jī)，最初是為了對養(yǎng)殖場的廢棄物作資源化、無害化處理。1986年丹麥政府成立了生物質(zhì)燃?xì)鈪f(xié)調(diào)委員會(huì)，開始對生物天然氣進(jìn)行規(guī)模化發(fā)展，集中建設(shè)若干生物天然氣工廠，每家工廠日產(chǎn)氣1000~15000立方米，生物天然氣經(jīng)過脫硫等處理后進(jìn)入天然氣管網(wǎng)。

自1991年開始實(shí)施的碳稅政策造就了瑞典生物天然氣的快速發(fā)展。該國支持產(chǎn)業(yè)生物天然氣發(fā)展的政策，包括對建設(shè)生物天然氣工程項(xiàng)目的工廠或農(nóng)場給予工程投資30%的補(bǔ)貼，對生物質(zhì)燃?xì)馓峒兒蟮奶娲剂厦庹骰剂鲜褂枚?，減征生物天然氣企業(yè)增值稅等。在供熱方面，碳稅政策使化石燃料成本大幅上升，燃油供熱由于價(jià)格飆升被逐出了工業(yè)和民用市場。1970年燃油供熱占瑞典90%的市場份額，而到2010年僅剩不到2%，這部分市場主要轉(zhuǎn)換為生物天然氣供熱，目前生物天然氣供熱約占據(jù)了瑞典全國70%的市場份額。

路徑二：合成天然氣

類似地，合成天然氣也有多條技術(shù)路線正在進(jìn)行研究和開發(fā)，包括利用二氧化碳和氫氣（H2）合成甲烷的技術(shù)路線。利用二氧化碳與氫氣合成制取合成天然氣的主要目的，是結(jié)合碳捕獲措施實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)，所以只有二氧化碳的來源為碳捕獲才能符合制取零碳燃?xì)獾囊??；诙趸疾东@的合成天然氣技術(shù)，將二氧化碳作為生產(chǎn)原料，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的資源化、燃料化，有效緩解了二氧化碳封存的壓力。碳封存是以捕獲碳并安全存儲(chǔ)的方式來取代直接向大氣中排放二氧化碳的技術(shù)，碳捕獲過程是碳封存過程的組成部分。碳封存措施包括將人類活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放物捕獲、收集并存儲(chǔ)到安全的碳庫中，同時(shí)直接從大氣中分離出二氧化碳并安全存儲(chǔ)。碳封存技術(shù)的研究工作開始于20世紀(jì)70年代，到目前為止進(jìn)展依然緩慢，如何確保長期有效地封存二氧化碳，雖然方案不少，但似乎還沒有一個(gè)滿意的答案。將二氧化碳資源化，使之成為燃料生產(chǎn)的原料，為突破碳封存困局打開了一條出路，有效利用捕獲的二氧化碳，就減少了相應(yīng)的碳封存需求，也減少了使用化石能源產(chǎn)生的二氧化碳排放，實(shí)現(xiàn)了良性的低碳過程循環(huán)。此外，生物天然氣的利用實(shí)際上也促進(jìn)了二氧化碳的捕獲。因?yàn)樯锾烊粴庠鲜侵参铮参锷L過程就是在大氣中捕獲二氧化碳的過程。

顯然，合成天然氣的輸送和使用特點(diǎn)與生物天然氣類似，合成天然氣對輸配送設(shè)施和終端燃?xì)饩叩囊?，與常規(guī)天然氣是相同的。目前合成天然氣相關(guān)技術(shù)基本上仍然處于研究試驗(yàn)階段，在城市燃?xì)忸I(lǐng)域尚未具備商業(yè)化應(yīng)用的條件。

日本的合成天然氣生產(chǎn)始于1995年，目前日本在該領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用在全球處于領(lǐng)先水平，但是至今仍然處于示范驗(yàn)證階段。2022年3月，東京燃?xì)夤九c橫濱市合作實(shí)施合成天然氣示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用橫濱市資源循環(huán)局鶴見工廠排放的二氧化碳和下水道中心的再生水以及太陽能光伏系統(tǒng)電解水制氫氣，進(jìn)行合成天然氣生產(chǎn)。大阪燃?xì)夤居?jì)劃于2024年下半年至2025年啟動(dòng)產(chǎn)能為400Nm3/h的合成天然氣生產(chǎn)裝置設(shè)備，這一規(guī)模為目前全球最大。大阪燃?xì)夤緦⑴c資源巨頭INPEX公司合作，利用從INPEX在新瀉縣長岡礦場回收的二氧化碳生產(chǎn)合成天然氣。東邦燃?xì)夤居?jì)劃在2030年之前采用直接從大氣捕獲二氧化碳的技術(shù)進(jìn)行合成天然氣生產(chǎn)。

此外，分布式合成天然氣設(shè)備的技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目也在實(shí)施中。這類設(shè)備規(guī)模較小，在一些有二氧化碳排放源的工廠，用氫氣與二氧化碳合成天然氣，作為工廠的燃料利用。例如，電裝公司在位于日本愛知縣的安城工廠安裝了合成天然氣設(shè)備，驗(yàn)證在工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)二氧化碳循環(huán)；IHI公司正在福島縣相馬IHI綠色能源中心，進(jìn)行利用可再生能源生產(chǎn)合成天然氣的工藝驗(yàn)證，目前的生產(chǎn)能力為12.5Nm3/h，計(jì)劃到2025年前后將規(guī)模擴(kuò)大到數(shù)萬Nm3/h。

德國奧迪公司合成天然氣示范項(xiàng)目于2013年投入運(yùn)行，利用氫氣和二氧化碳生產(chǎn)合成天然氣

德國奧迪公司在德國下薩克森省維爾特市（Werlte）的e-gas工廠，于2013年開始合成天然氣的生產(chǎn)，據(jù)稱是全球第一套投入商業(yè)化運(yùn)行的“電力轉(zhuǎn)換燃?xì)猓≒ower to Gas）”的裝置，所生產(chǎn)的合成天然氣送到加氣站，作為奧迪公司雙燃料汽車g-tron的燃料，用于制取合成天然氣的氫氣，由利用風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)的電力進(jìn)行水電解獲得。

路徑三：氫氣利用

在氫氣利用方式的角度，利用二氧化碳和氫氣制取的合成天然氣在使用上較氫氣直接使用具有一些優(yōu)勢。首先，由于能量密度的差異，相同體積的合成天然氣的熱值約為氫氣的3倍。如果在氫氣資源較為豐富的地區(qū)進(jìn)行合成天然氣制備，氫氣難以遠(yuǎn)距離輸送的問題就會(huì)迎刃而解。同時(shí)，無論純氫氣，還是以氫氣混合天然氣獲得的富氫天然氣直接作為家用燃?xì)饩叩娜剂?，在輸配送設(shè)施和燃?xì)饩叻矫娑即嬖谝恍┬枰鉀Q的問題，而合成天然氣替代常規(guī)天然氣不存在類似問題。

將氫氣作為能源使用，主要是利用具備能源儲(chǔ)存載體的特征，例如將電力轉(zhuǎn)換為氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存，以解決能源供需不同步的問題。同時(shí)，氫氣的可燃性也使得其能夠作為燃?xì)獾闹苯犹娲肥褂?。?jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)計(jì)，到2050年，氫能在中國終端能源體系的占比將超過10％。據(jù)中國沼氣學(xué)會(huì)2021年10月發(fā)布的《中國沼氣行業(yè)“雙碳”發(fā)展報(bào)告》，到2050年，以沼氣為代表的生物質(zhì)燃?xì)庹家淮文茉聪M(fèi)總量的比例將與氫能大致相當(dāng)。保守估計(jì)，到2050年，城鎮(zhèn)燃?xì)庵袑⒂?0％左右是氫氣和生物天然氣、合成天然氣等非常規(guī)天然氣。

日本政府在2021年6月制定的綠色增長戰(zhàn)略也提出，到2030年，合成天然氣在城市燃?xì)獾恼急葹?%；在2050年之前，合成天然氣在城市燃?xì)獾恼急葘⑦_(dá)到90%，剩余10%的城市燃?xì)鈱⑼ㄟ^直接利用氫氣或沼氣等實(shí)現(xiàn)零碳化。

林內(nèi)公司的天然氣型N系列燃?xì)鉄崴骺梢赃m用氫氣比例不超過30%的富氫天然氣

在建筑領(lǐng)域，氫氣作為家用燃?xì)饩呷剂系囊饬x，與燃料電池的氫能利用方式存在明顯差異。家用燃料電池可以實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，達(dá)到技術(shù)上的最高能源利用效率，但是，由于多種因素限制，目前家用燃料電池的發(fā)電功率一般為0.5kW~1kW，在住宅能耗總量中占比較小，對提高全社會(huì)的能源利用效率影響有限。家用燃?xì)饩叩臍淠芾梅绞绞抢脷錃馓娲糠只蛉刻烊粴?，家用燃?xì)饩吣軌虼笠?guī)模地實(shí)現(xiàn)氫氣的利用。一個(gè)燃?xì)庠罹叩娜紵鞴β始s為4kW，一臺(tái)燃?xì)鉄崴骰蛉細(xì)獠膳療崴疇t的熱輸入功率為20kW~40kW，如果這些燃?xì)饩咻敵龅臒崃客ㄟ^電能轉(zhuǎn)換，現(xiàn)階段全社會(huì)需要成倍地增加化石能源的消耗。此外，家用燃?xì)饩叩匿N售價(jià)格較燃料電池要低，約為后者的1％~20％。因此，現(xiàn)階段家用燃?xì)饩呤抢脷淠茏罹呒夹g(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢的產(chǎn)品。

由于現(xiàn)有的城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)以及家用燃?xì)饩卟荒苓m應(yīng)純氫氣，使用氫氣比例不超過20％的富氫天然氣成為目前主流方案。

2018年11月，基爾大學(xué)HyDeploy項(xiàng)目獲得英國健康安全與環(huán)境部（HSE）批準(zhǔn)，允許在天然氣管道中混合20％的氫氣。這是英國有史以來首次允許在天然氣管道中氫氣比例超過現(xiàn)行燃?xì)廨斔鸵?guī)范的試驗(yàn)項(xiàng)目。HyDeploy項(xiàng)目試驗(yàn)分三個(gè)階段實(shí)施：第一階段，在基爾大學(xué)內(nèi)向100戶家庭和30個(gè)教學(xué)樓供富氫天然氣；第二階段，在東北部的NGN管網(wǎng)進(jìn)行；第三階段，在西北部的Cadent管網(wǎng)進(jìn)行，規(guī)模約為700戶家庭。

位于德國巴登符騰堡州的厄林根小鎮(zhèn)在2019年啟動(dòng)了住宅富氫天然氣示范項(xiàng)目，項(xiàng)目由管網(wǎng)公司Netze BW負(fù)責(zé)規(guī)劃和建設(shè)，參與示范項(xiàng)目的家庭為30戶，利用原有天然管道注入氫氣獲得富氫天然氣，用于家用燃?xì)饩呷剂希?xiàng)目運(yùn)行初始階段氫氣比例為10％，然后逐步提高比例，到2022年，氫氣比例提高到上限30％。

目前在歐洲市場上已經(jīng)有多家生產(chǎn)企業(yè)發(fā)布了氫能家用燃?xì)饩弋a(chǎn)品，使用燃料包括純氫氣和富氫天然氣。日本林內(nèi)公司繼在2021年1月發(fā)布全系列富氫天然氣型家用燃?xì)饩弋a(chǎn)品之后，于2022年發(fā)布了純氫型家用燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品。據(jù)預(yù)計(jì)，歐洲將于2023年啟動(dòng)氫能燃?xì)饩呱虡I(yè)化應(yīng)用，富氫天然氣型燃?xì)饩呦韧度胧袌觯儦錃庑腿細(xì)饩邔⒃?025年投入市場。

在中國，萬和公司率先在AWE2021上發(fā)布了全線富氫天然氣型家用燃?xì)饩撸ㄈ細(xì)鉄崴?、燃?xì)獠膳療崴疇t、燃?xì)庠罹?、戶外燃?xì)饪緺t、燃?xì)饪鞠涞?個(gè)型號(hào)，適用氫氣比例為20％以下的富氫天然氣和12T天然氣兩種氣源。2021年7月，萬和公司與國家電投合作，為遼寧省朝陽市摻氫示范項(xiàng)目提供家用燃?xì)馄骶邩訖C(jī)，包括燃?xì)鉄崴?、燃?xì)獠膳療崴疇t和燃?xì)庠罹撸嚓P(guān)產(chǎn)品均在前期經(jīng)過驗(yàn)證，通過由第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的摻氫比例為20％的必要檢測項(xiàng)目，通過了氫氣比例為35％的回火界限氣燃燒工況測試。2022年3月，萬和公司進(jìn)一步改進(jìn)了富氫天然氣型燃?xì)饩呒夹g(shù)，適用氫氣比例提高至30％。

在純氫氣應(yīng)用領(lǐng)域，2021年底，廣東萬和新電氣股份有限公司完成的“氫能家用燃?xì)庠罹哐芯亢烷_發(fā)”項(xiàng)目，產(chǎn)品使用燃料是比例為100％的氫氣，被鑒定委員會(huì)專家認(rèn)為“整體達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平”。該項(xiàng)目技術(shù)對中國氫能燃?xì)饩呒夹g(shù)和行業(yè)的發(fā)展具有引領(lǐng)作用。