可再生燃气：助力家用燃气具行业应对碳中和挑战

自2020年9月中国向世界郑重宣布“双碳”目标后，全面推进绿色转型已经成为各行业未来发展的题中之义。家用燃气具行业也不例外，加速踏上低碳发展之路的需求变得愈发迫切。

家用燃气具行业的低碳措施与其他制造业有一定的共性，包括全产业链和全生命周期两个主要维度。其中，产业链维度主要涉及原材料供应链、绿色工厂、绿色配送等环节，产品生命周期纬度则涉及产品设计、制造、使用、废弃和再利用等环节。从产品自身来看，低碳特性主要取决于在设计阶段对产品的资源属性、能源属性、环境属性和产品属性的定义。具体到家用燃气具产品，这类产品能源转换器具的属性决定了其碳排放量的90％以上产生于使用过程。因此，产品的功能和性能对家用燃气具行业的碳排放水平具有决定性作用。

然而，值得注意的是，家用燃气具在待机、点火和熄火过程中的天然气泄漏，以及天然气在燃烧过程中产生的氮氧化物，同样是碳排放控制工作中不可忽视的问题。能源的绿色转型将给家用燃气具行业的未来发展带来巨大的影响，可再生燃气的发展将助力行业应对碳中和挑战。

天然气的温室效应

以天然气为代表的燃气是如今家用燃气具使用过程消耗的燃料。天然气是化石能源的一种类型，在燃烧过程不可避免地产生碳排放。碳排放控制措施的目的在于减少大气中温室气体排放，行业需要对燃气使用生命周期的温室气体排放给予关注。除了燃烧过程中排放二氧化碳（CO2），与天然气相关的主要温室气体还包括未燃烧的天然气，以及天然气在燃烧过程中产生的二氧化氮（NO2）等。

在天然气开采、储运以及使用过程中的直接泄漏（包括燃气具在待机过程中燃气泄漏），所产生的温室效应大致达到了在燃烧过程中碳排放效应相同的数量级。据清华大学的研究数据，甲烷按100年计算的温室效应是二氧化碳的24倍，按20年计算为二氧化碳的84倍。甲烷减排对近期控制温升速度的影响和作用更大，同时对改善环境质量也有重要作用。

燃气具在待机状态下，微量的燃气泄漏不可避免，虽然微量泄漏不会导致着火等安全问题，但是对温室效应产生的影响不可忽视。国内外研究均表明，天然气燃气具在使用过程中（包括点火、燃烧以及熄火阶段），均会不同程度地带有不完全燃烧的甲烷，其中点火和熄火的时候，甲烷的排放量最大。总体来说，减少待机过程和使用过程中点火与熄火的燃气泄漏量，将成为家用燃气具减碳工作的新课题。

此外，近十年的研究结果确认，氮氧化物（NOx）中的二氧化氮在大气中的温室效应约为二氧化碳的300倍。由此可见，氮氧化物不仅是主要的空气污染气体，也是主要的温室气体，因此，降低家用燃气具燃烧过程中排放的氮氧化物水平，对于温室效应的控制也具有重要的意义。目前，国内家用燃气具行业在降低氮氧化物的技术措施方面已经有了较多的储备，但是除了部分地区对氮氧化物排放有较严格的要求之外，采用低氮氧化物技术的产品在市场上的份额较小。究其原因，一方面是因为采用低低氮氧化物技术的产品的制造成本较高，另一方面是因为主流的低氮氧化物技术方案在实施过程仍然存在设计、制造方面的技术瓶颈。例如，采用全预混技术的燃气采暖热水炉，具有显著的氮氧化物排放量低和热效率高的特点，但是，欧洲企业的典型技术方案对燃气的气源质量、使用环境的空气质量以及例行的维护服务都有较高的要求，导致相应的产品在中国市场，尤其在二三线市场运行情况不理想。上述问题均是目前家用燃气具产品实现低碳发展需要攻克的重要课题。

日立造船公司用二氧化碳生产合成天然气的设施完工

燃气的零碳路径

家用燃气具的碳排放控制，目的在于减少燃气使用过程中产生的温室气体，未燃烧的天然气直接排放、燃烧过程中二氧化碳和二氧化氮排放都是碳排放控制的重点。长远来看，燃气的零碳路径探索，将助力家用燃气具摆脱“天然气”的束缚，真正实现绿色低碳发展。可再生能源不仅可以转换为电力，也可以转换为燃气。家用燃气具用可再生燃气的研究和开发工作，目前主要围绕生物天然气、合成天然气和氢气的开发利用课题展开。

可再生燃气的碳排放属性通常具备低碳或零碳特征，虽然生物天然气和合成天然气的成分与常规的化石天然气相同，主要成分为甲烷，在燃烧时排放二氧化碳水平与常规天然气无异，但是，生物天然气和合成天然气的制备过程是减碳过程。制备生物天然气的植物在生长过程中需要吸收大气中的二氧化碳，从而减少大气中的二氧化碳；利用二氧化碳和氢气制备合成天然气的过程中，所需的二氧化碳通常是从二氧化碳排放源中获得，从而避免了这些二氧化碳的排放。由此可见，生物天然气和合成天然气是以碳循环方式实现零碳排放，未来将成为城镇天然气的组成部分，对燃气行业实现碳达峰、碳中和目标发挥积极的作用。

氢气则是完全避免与碳排放过程相关，当氢气制备过程是利用可再生能源实现，从制备到燃烧就都不存在碳排放问题。因此，当氢气成为可再生能源载体，本身就是零碳燃气。零碳燃气进入城镇燃气管网，必将有效减少家用燃气具的碳排放影响。

下文将对燃气实现零碳的三大路径分别进行探讨，希望能够为家用燃气具行业探索低碳发展之路时提供新的思路。

路径一：生物天然气

2019年底，国家发展和改革委员会、国家能源局等十部委联合印发了《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，其中将生物天然气纳入国家能源体系。该指导意见提出，到2025年，生物天然气年产量超过100亿立方米；到2030年，生物天然气年产量超过200亿立方米。目前，中国生物天然气年产量不足1亿立方米，未来市场发展空间广阔。

生物质燃气的开发利用目前有多条技术路线的研究工作正在展开，其中利用沼气制备生物天然气是进展较快的技术路线。沼气通常来源于养殖业的废弃物，随着生物天然气需求的增长，来源相应扩大，农作物的秸秆等都可以用于制备生物甲烷的原料，从而使得潜在的生物天然气的供应规模得以大幅度增加。生物天然气的主流制取方法是利用生物反应获得沼气，其主要成分为甲烷和氮气，其中氮气的比例通常超过40％，提纯加工获得的生物天然气，可以将甲烷的比例提高至常规天然气的水平，克服沼气热值低、成分复杂、参数不稳定等缺陷，使得生物天然气具备进入常规天然气管网的条件。除了沼气之外，生物天然气还可以利用生物质热解气、垃圾填埋气等含甲烷原料气，以及利用生物质液态燃料，如甲醇、乙醇等制取，只是从可持续发展的角度，这类生物质燃料的获取应尽量避免消耗粮食类的原料。

中电建兰考生物质制气有限公司

NB/T 10489-2021《进入天然气长输管道的生物天然气质量要求》的发布和实施，意味着在生物质能源资源丰富地区制取的生物天然气，可以利用既有的天然气输送管道进行长距离输送，同时也可以利用城镇燃气配送管网向终端用户输送。这使得可再生燃气的输送具备了类似可再生电力的特征。可再生电力可以通过与电网的连接，实现远距离输送，从而实现常规电力的替代；与之类似，可再生燃气也可以利用既有的输送系统实现常规天然气的替代。迄今为止，中国已经发布了GB/T 40506-2021《生物天然气 术语》、GB/T 41328-2022《生物天然气》、NB/T 10136-2019《生物天然气产品质量标准》等一系列国家、行业标准，标志着生物天然气规模化应用的条件日臻成熟。未来，燃气管网中燃气碳排放水平将随着可再生燃气比例的增加而降低。

2021年底，河南兰考仪封项目生物天然气成功并入市政管网。该项目日产2.5万立方米生物天然气（日产5万立方米沼气），项目投产后是国内规模最大、技术最先进的生物天然气项目，正常年达产后，可年处理玉米秸秆3万吨以及其他养殖业废弃物。项目将农作物秸秆、养殖业废弃物等有机废弃物产生出沼气和消化液。沼气作为生物质能源，进行净化后作为生物天然气进入市政燃气管网，项目同时还生产有机肥料就近利用。

丹麦是欧洲的天然气出口国，天然气在一次能源消费占比约为15%，但是目前丹麦国内天然气供应量中约有10%是来自生物天然气，预计到2050年丹麦全国的天然气供应量将下降到目前水平的50%，且全部为生物天然气。丹麦的生物天然气起步于20世纪70年代的第一次能源危机，最初是为了对养殖场的废弃物作资源化、无害化处理。1986年丹麦政府成立了生物质燃气协调委员会，开始对生物天然气进行规模化发展，集中建设若干生物天然气工厂，每家工厂日产气1000~15000立方米，生物天然气经过脱硫等处理后进入天然气管网。

自1991年开始实施的碳税政策造就了瑞典生物天然气的快速发展。该国支持产业生物天然气发展的政策，包括对建设生物天然气工程项目的工厂或农场给予工程投资30%的补贴，对生物质燃气提纯后的替代燃料免征化石燃料使用税，减征生物天然气企业增值税等。在供热方面，碳税政策使化石燃料成本大幅上升，燃油供热由于价格飙升被逐出了工业和民用市场。1970年燃油供热占瑞典90%的市场份额，而到2010年仅剩不到2%，这部分市场主要转换为生物天然气供热，目前生物天然气供热约占据了瑞典全国70%的市场份额。

路径二：合成天然气

类似地，合成天然气也有多条技术路线正在进行研究和开发，包括利用二氧化碳和氢气（H2）合成甲烷的技术路线。利用二氧化碳与氢气合成制取合成天然气的主要目的，是结合碳捕获措施实现碳循环，所以只有二氧化碳的来源为碳捕获才能符合制取零碳燃气的要求。基于二氧化碳捕获的合成天然气技术，将二氧化碳作为生产原料，实现了二氧化碳的资源化、燃料化，有效缓解了二氧化碳封存的压力。碳封存是以捕获碳并安全存储的方式来取代直接向大气中排放二氧化碳的技术，碳捕获过程是碳封存过程的组成部分。碳封存措施包括将人类活动产生的碳排放物捕获、收集并存储到安全的碳库中，同时直接从大气中分离出二氧化碳并安全存储。碳封存技术的研究工作开始于20世纪70年代，到目前为止进展依然缓慢，如何确保长期有效地封存二氧化碳，虽然方案不少，但似乎还没有一个满意的答案。将二氧化碳资源化，使之成为燃料生产的原料，为突破碳封存困局打开了一条出路，有效利用捕获的二氧化碳，就减少了相应的碳封存需求，也减少了使用化石能源产生的二氧化碳排放，实现了良性的低碳过程循环。此外，生物天然气的利用实际上也促进了二氧化碳的捕获。因为生物天然气原料是植物，植物生长过程就是在大气中捕获二氧化碳的过程。

显然，合成天然气的输送和使用特点与生物天然气类似，合成天然气对输配送设施和终端燃气具的要求，与常规天然气是相同的。目前合成天然气相关技术基本上仍然处于研究试验阶段，在城市燃气领域尚未具备商业化应用的条件。

日本的合成天然气生产始于1995年，目前日本在该领域的技术应用在全球处于领先水平，但是至今仍然处于示范验证阶段。2022年3月，东京燃气公司与横滨市合作实施合成天然气示范项目。该项目利用横滨市资源循环局鹤见工厂排放的二氧化碳和下水道中心的再生水以及太阳能光伏系统电解水制氢气，进行合成天然气生产。大阪燃气公司计划于2024年下半年至2025年启动产能为400Nm3/h的合成天然气生产装置设备，这一规模为目前全球最大。大阪燃气公司将与资源巨头INPEX公司合作，利用从INPEX在新泻县长冈矿场回收的二氧化碳生产合成天然气。东邦燃气公司计划在2030年之前采用直接从大气捕获二氧化碳的技术进行合成天然气生产。

此外，分布式合成天然气设备的技术验证项目也在实施中。这类设备规模较小，在一些有二氧化碳排放源的工厂，用氢气与二氧化碳合成天然气，作为工厂的燃料利用。例如，电装公司在位于日本爱知县的安城工厂安装了合成天然气设备，验证在工厂内实现二氧化碳循环；IHI公司正在福岛县相马IHI绿色能源中心，进行利用可再生能源生产合成天然气的工艺验证，目前的生产能力为12.5Nm3/h，计划到2025年前后将规模扩大到数万Nm3/h。

德国奥迪公司合成天然气示范项目于2013年投入运行，利用氢气和二氧化碳生产合成天然气

德国奥迪公司在德国下萨克森省维尔特市（Werlte）的e-gas工厂，于2013年开始合成天然气的生产，据称是全球第一套投入商业化运行的“电力转换燃气（Power to Gas）”的装置，所生产的合成天然气送到加气站，作为奥迪公司双燃料汽车g-tron的燃料，用于制取合成天然气的氢气，由利用风力发电生产的电力进行水电解获得。

路径三：氢气利用

在氢气利用方式的角度，利用二氧化碳和氢气制取的合成天然气在使用上较氢气直接使用具有一些优势。首先，由于能量密度的差异，相同体积的合成天然气的热值约为氢气的3倍。如果在氢气资源较为丰富的地区进行合成天然气制备，氢气难以远距离输送的问题就会迎刃而解。同时，无论纯氢气，还是以氢气混合天然气获得的富氢天然气直接作为家用燃气具的燃料，在输配送设施和燃气具方面都存在一些需要解决的问题，而合成天然气替代常规天然气不存在类似问题。

将氢气作为能源使用，主要是利用具备能源储存载体的特征，例如将电力转换为氢气进行储存，以解决能源供需不同步的问题。同时，氢气的可燃性也使得其能够作为燃气的直接替代品使用。据中国氢能联盟预计，到2050年，氢能在中国终端能源体系的占比将超过10％。据中国沼气学会2021年10月发布的《中国沼气行业“双碳”发展报告》，到2050年，以沼气为代表的生物质燃气占一次能源消费总量的比例将与氢能大致相当。保守估计，到2050年，城镇燃气中将有50％左右是氢气和生物天然气、合成天然气等非常规天然气。

日本政府在2021年6月制定的绿色增长战略也提出，到2030年，合成天然气在城市燃气的占比为1%；在2050年之前，合成天然气在城市燃气的占比将达到90%，剩余10%的城市燃气将通过直接利用氢气或沼气等实现零碳化。

林内公司的天然气型N系列燃气热水器可以适用氢气比例不超过30%的富氢天然气

在建筑领域，氢气作为家用燃气具燃料的意义，与燃料电池的氢能利用方式存在明显差异。家用燃料电池可以实现热电联产，实现能源的梯级利用，达到技术上的最高能源利用效率，但是，由于多种因素限制，目前家用燃料电池的发电功率一般为0.5kW~1kW，在住宅能耗总量中占比较小，对提高全社会的能源利用效率影响有限。家用燃气具的氢能利用方式是利用氢气替代部分或全部天然气，家用燃气具能够大规模地实现氢气的利用。一个燃气灶具的燃烧器功率约为4kW，一台燃气热水器或燃气采暖热水炉的热输入功率为20kW~40kW，如果这些燃气具输出的热量通过电能转换，现阶段全社会需要成倍地增加化石能源的消耗。此外，家用燃气具的销售价格较燃料电池要低，约为后者的1％~20％。因此，现阶段家用燃气具是利用氢能最具技术经济优势的产品。

由于现有的城镇燃气管网以及家用燃气具不能适应纯氢气，使用氢气比例不超过20％的富氢天然气成为目前主流方案。

2018年11月，基尔大学HyDeploy项目获得英国健康安全与环境部（HSE）批准，允许在天然气管道中混合20％的氢气。这是英国有史以来首次允许在天然气管道中氢气比例超过现行燃气输送规范的试验项目。HyDeploy项目试验分三个阶段实施：第一阶段，在基尔大学内向100户家庭和30个教学楼供富氢天然气；第二阶段，在东北部的NGN管网进行；第三阶段，在西北部的Cadent管网进行，规模约为700户家庭。

位于德国巴登符腾堡州的厄林根小镇在2019年启动了住宅富氢天然气示范项目，项目由管网公司Netze BW负责规划和建设，参与示范项目的家庭为30户，利用原有天然管道注入氢气获得富氢天然气，用于家用燃气具燃料，项目运行初始阶段氢气比例为10％，然后逐步提高比例，到2022年，氢气比例提高到上限30％。

目前在欧洲市场上已经有多家生产企业发布了氢能家用燃气具产品，使用燃料包括纯氢气和富氢天然气。日本林内公司继在2021年1月发布全系列富氢天然气型家用燃气具产品之后，于2022年发布了纯氢型家用燃气热水器产品。据预计，欧洲将于2023年启动氢能燃气具商业化应用，富氢天然气型燃气具先投入市场，纯氢气型燃气具将在2025年投入市场。

在中国，万和公司率先在AWE2021上发布了全线富氢天然气型家用燃气具，包括燃气热水器、燃气采暖热水炉、燃气灶具、户外燃气烤炉、燃气烤箱等7个型号，适用氢气比例为20％以下的富氢天然气和12T天然气两种气源。2021年7月，万和公司与国家电投合作，为辽宁省朝阳市掺氢示范项目提供家用燃气器具样机，包括燃气热水器、燃气采暖热水炉和燃气灶具，相关产品均在前期经过验证，通过由第三方实验室进行的掺氢比例为20％的必要检测项目，通过了氢气比例为35％的回火界限气燃烧工况测试。2022年3月，万和公司进一步改进了富氢天然气型燃气具技术，适用氢气比例提高至30％。

在纯氢气应用领域，2021年底，广东万和新电气股份有限公司完成的“氢能家用燃气灶具研究和开发”项目，产品使用燃料是比例为100％的氢气，被鉴定委员会专家认为“整体达到国内领先水平”。该项目技术对中国氢能燃气具技术和行业的发展具有引领作用。