基于油气田勘探的电解水制氢及天然气掺氢研究

罗 宁， 段杨龙， 陈 康， 贺志宝， 张思远， 刘 玮， 徐建伟， 周 治

(中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司， 西安 710065)

国家统计局发布2021年国内原油产量为19 898万t、天然气产量为2 053亿m3。短期内石油、天然气仍然是日常生活不可替代的能源，因此，石油、天然气资源仍然是21世纪影响中国经济发展的关键因素[1-2]。但是在全球能源转型加速的趋势下，提高可再生能源开发利用水平、降低化石能源消费总量是永恒的主题。在高比例可再生能源系统中，氢能扮演重要的角色。国际上，美国、欧洲、日本等氢能主要国家和地区已经建成投运了10 MW级别的可再生能源电解水制氢项目，并且开展了天然气管道掺氢技术的研究及示范过程。“十三五”期间，中国已建成电解水制氢-掺氢量10%的天然气掺氢管道示范工程。国内首个“绿氢”掺入天然气示范项目——国家电投辽宁朝阳天然气掺氢示范项目已按10%的掺氢比例安全运行1年。世界主要发达国家都以建成“氢能社会”为目标，积极制定政策，大力推动氢燃料电池和汽车的发展，力争2050年前实现能源转型。据中国氢能联盟预计，到2050年，国内终端能源体系中，氢能将占比不少于10%，氢需求量将达到6 000万t，产业链年产值约12万亿元。

天然气是目前阶段及未来一段时期内支撑中国实现碳达峰的重要低碳能源之一，氢能是推进中国能源结构转型升级、持续实现可再生能源高比例发展、高级化的重要发展目标。综合未来能源市场发展趋势，天然气与氢气在各自发展的基础上又能够实现深度融合，是未来发展的主要方向之一。氢气储能目前主要是利用风电、光伏、水电发电的弃电进行电解水制氢，一方面可以降低清洁能源弃电量，另一方面可以用于削峰填谷功能。通过在规模庞大的油气田勘探、运输业务上建立新能源发电和电解水制氢，可以有效推动“3060”碳达峰碳中和目标的实现，加快推动新能源发展和氢能发展，全面提升能源开发利用综合效率，努力构建清洁、高效、安全、经济、可持续的现代能源体系建设。

中国提出“3060”碳达峰碳中和目标，天然气需求量增加，新能源迅速发展，未来依然面临着天然气、新能源产能地与需求地不一致的问题，所以存在大规模跨区域调配的现实需求，未来在规划天然气管网运输的同时，考虑高比例掺氢输送，能够降低天然气需求量、降低新能源弃电、提高氢能使用量。加快推动新能源发展和氢能发展，全面提升能源开发利用综合效率，努力构建清洁、高效、安全、经济、可持续的现代能源体系建设[3-6]。

1 油气田业务特点

截至2021 年底，中国石油天然气股份有限公司共计拥有油气水井约33万口、站场约1.6万座，建成了规模庞大、功能齐全、配套完整的油气田生产系统，满足油气开发各阶段的生产需求。中国石油、天然气资源情况主要特点如下。

1.1 油气远景资源量很大

石油、天然气远景资源量很大，但勘探程度较低；油气资源分布较普遍，但探明程度不一，已发现油气田相对集中。中国油气资源、储量地区分布及探明程度见表1[7]。

表1 中国油气资源、储量的地区分布及探明程度

1.2 油气勘探业务和新能源富集区高度重合

西北地区油气勘探业务区域主要位于陕西、甘肃、新疆、宁夏、蒙古等区域，与新能源发展区域高度重合。油气勘探业务沿海区域位于南海附近，与海上风电发展区域高度重合。

1.3 用能范围广、相对分散

油气田勘探业务分布在全国各地省、市、县、乡、无人区、偏远地区，高度分散。用能以电为主。

1.4 新能源建设利用范围广，场景优越

油气田勘探业务高度分散，用能负荷高、场地开阔、场地空地适合建设新能源。

2 油气田新能源

油气田勘探区域分布广泛，占地面积大，大部分地区地表为沙漠、戈壁，难以进行生态改造和工农业利用；同时有着丰富的太阳能资源、风能资源，因此在油气田利用沙漠、戈壁荒地资源发展新能源发电相关产业具有得天独厚的条件。

在油气田勘探开发生产过程中优选考虑利用太阳能、风能和电网，油气与新能源融合发展，开发一个区块，建设一片绿洲，实现在保护中开发、在开发中保护。

积极响应国家“在沙漠、戈壁、荒漠地区加快规划建设大型风电光伏基地项目”的号召，全力推动“源网荷储一体化”清洁电力替代项目落地；充分发挥光伏分布式能源清洁性、分散性、自给性、灵活性的优势，加大新能源发电替代规模。

通过将在油气田勘探站场、场址范围内建设一批低碳或零碳油气田-新能源建设示范项目，可以进一步降低天然气自用量，完成低碳油田建设和示范引领[8-10]。

3 电解水制氢

3.1 制氢方式对比

几种制备氢气方式指标见表2[11-13]。

表2 几种制氢方式指标

续表2

通过比较分析各种制氢方式的成本、优劣势，在未来氢能产业链发展得比较完善的情况下，利用可再生能源电力电解水制氢将成为终极能源解决方案之一。

3.2 建设方案

电解水在氢能制备产业中只占4%左右，与其他方式相比暂时不具备竞争优势。但如果能考虑利用未来大规模建设的可再生能源电力作为能源，可以极大地降低制氢用电成本，同时可有效解决可再生电力消纳问题。

可再生能源制氢采用主要技术路线选用电解水制氢技术。电解水制氢可以采用模块化，以1 MW电解水制氢装置，PEM水电解设备产氢量200 Nm3/h为一个模块，模块参数见表3和表4[14-16]。

表3 碱性水电解设备模块技术参数

3.3 PEM电解制氢工作原理

PEM电解制氢工作原理如图1所示。

水电解和氧气析出：水(H2O)在阳极上产生水解反应在电场和催化剂作用下，分裂成质子(4H+)、电子(4e-)和气态氧(O2)。

表4 制氢系统设备

图1 PEM电解制氢工作原理

质子交换：4H+质子被吸入含有Teflon的PEM固体质子交换膜内，在电势差的影响下直接通过固体质子交换膜到达负极。

电子传导：4e-电子通过外部电路传导。

质子交换膜电解水制氢系统由隔膜的若干电解小室组成的纯水电解槽、附属设备、管道及其附件、箱体等构成的制氢的系统。制氢系统由补水系统、电解槽、气液分离装置、氢气纯化装置等部分组成，制氢规模50 Nm3/h。其流程如图2所示。

图2 质子交换膜电解水制氢系统流程

图3 PEM制氢原理

图4 PEM电解池设备

1)补水系统。PEM电解所需的水为纯水，储存在原料水水箱中。其补水系统来自海水淡化系统的淡水，经过反渗透处理后进入水箱中。

2)PEM电解池。PEM电解池主要由阴、阳电极和聚合物电解质膜组成。当质子交换膜水解池工作时，水通过阳极室循环，并在阳极发生电化学反应分解产生氧气、氢离子和电子，氢离子穿过质子交换膜在阴极室内与电子发生电化学反应重组产生氢气，如图3所示。PEM电解池设备如图4所示。

3)气水分离装置。PEM电解池产生的氢气中带有饱和水蒸气，通过管路输送至气水分离器，在气水分离器外壁上通冷却水将大部分水分冷凝分离，冷却水的压力为0.15～0.35 MPa。气水分离器的出口设置温度检测装置和回收连锁，把分离出的水送回原料水箱。

4)氢气干燥装置。经气水分离器的氢气输送至氢气干燥装置，氢气干燥器主要去除氢气中的氧、水分等杂质，用催化剂去除氧杂质，吸附法去除氢气中的水分，氢气干燥器一般设置两个，一个用于吸附干燥，一个进行脱附，运行中自动切换。经干燥后得到纯度为99.999 5%的高纯氢气。

5)主要设备。单体设备有：PEM水电解槽、气水分离器、换热器、循环冷凝器、原料水泵、箱体、水箱、直流电源、PLC自控装置等。设备设置有氢漏报警器和氧中氢探测仪，对氢渗漏、气体跨膜扩散进行监测，当氢含量达到20% lel(爆炸下限)，设备报警，停止电解同时启动排风排氧装置。系统采用集中全方位控制方式，实现一键启停、自动补氢压力跟踪和DCS信号对接。

3.4 压缩流程

质子交换膜电解水设备出口氢气压力为3.2 MPa，可以采用隔膜压缩机，出口氢气分别进入氢气缓冲罐缓存，然后经过压缩机压缩至20 MPa，压缩的氢气汇流后注入储气瓶组中，如图5所示。

图5 压缩工艺流程

3.5 储存工艺

质子交换膜电解槽产氢采用储氢瓶组储存，储气压力为20 MPa。

4 天然气管道掺氢

据《世界能源统计年鉴(2022)》数据，2021年全球天然气产量约为4.036 9×1 012 m3；同比增加4.8%，并创历史新高。同年全球天然气消费量约为4.037 5×1 012 m3，同比增加5.3%。其中掺入3%(体积分数)氢就可拉动1.1×107t的H2消纳，可以有效降低可再生能源制氢成本。

氢能以清洁、高效的特点被公认为未来最有潜力的能源载体，而天然气作为最清洁的化石能源正处于蓬勃发展的时期，全球已建和拟建的输送管网数量庞大，因此将H2掺入现有天然气管网实现储运和利用是未来一段时间氢气储运发展方向。

中国目前天然气进口量持续上升，采用可再生能源制得的H2，通过天然气掺氢可以替代部分天然气，有利于降低进口天然气依存程度，保障中国能源安全。

中国现有纵横东西南北的8.7×104km天然气主干管网和庞大的支线管网，同时中国未来依然面临着天然气、新能源产能地与需求地不一致的问题，所以存在大规模跨区域调配的现实需求，未来在规划天然气管网运输的同时，考虑高比例掺氢输送，能够降低天然气需求量、降低新能源弃电、提高氢能使用量。

5 结论

1)西北地区油气勘探业务区域主要位于陕西、甘肃、新疆、宁夏、蒙古等区域，与新能源发展区域高度重合；油气勘探业务沿海区域位于南海附近，与海上风电发展区域高度重合。油气田勘探业务分布在全国各地省、市、县、乡、无人区、偏远地区，业务高度分散。用能以电为主。用能负荷高，场地开阔，场地空地适合建设新能源。

2)利用油气田区域新建新能源进行电解水制氢，一方面氢能可以用于氢燃料电池，解决采油、采气区域用能需求，另一方面可以用于天然气管道掺氢输送，解决氢能终端使用难题。

3)中国提出“3060”碳达峰碳中和目标，天然气需求量增加，新能源迅速发展，未来依然面临着天然气、新能源产能地与需求地不一致的问题，所以存在大规模跨区域调配的现实需求，未来在规划天然气管网运输的同时，考虑高比例掺氢输送，能够降低天然气需求量、降低新能源弃电、提高氢能使用量。加快推动新能源发展和氢能发展，全面提升能源开发利用综合效率，努力构建清洁、高效、安全、经济、可持续的现代能源体系建设。