家用氢能燃气具发展趋势

2021年3月23日，中国家电及消费电子博览会（AWE）开幕当日，广东万和新电气股份有限公司对外发布了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，全线产品均可适用氢气比例为20%以下的富氢天然气和12T天然气两种气源。此举正是对国家氢能政策和能源供应结构转型的呼应。

近两年，氢能在家用燃气具的技术和市场发展（无论在纯氢燃气还是富氢天然气领域）上都取得重要的进展。继欧洲、日本企业陆续发布氢能燃气具开发成果后，中国燃气具制造企业也完成了多种家用富氢天然气型家用燃气具的开发工作。随着技术标准体系的形成和逐步完善，氢能燃气具领域已经步入商业开发和应用阶段。目前，氢能燃气具富氢氢能就绪方案是实现常规天然气燃气具向氢能燃气具过渡的可行方法，可以有效解决在气种切换时出现燃气具集中置换造成的一系列问题。

富氢型燃气具

万和公司发布富氢天然气型家用燃气具全线产品，是在家用燃气具领域技术创新的重要成果，也顺应了国家氢能政策和能源供应结构转型的趋势，将凭借国内燃气具技术领域的创新能力，促进家用燃气具产业的转型升级。更重要的是，采用对现有燃气管网以及家用燃气具影响最小的“富氢就绪（HENG Ready）”方案，可以在常规天然气向富氢天然气的切换过程中，在氢气比例不超过20%的气源变化条件下，燃气具无需进行任何改装和调整就可以适应，除了热负荷发生小幅下降之外，安全性能、使用性能将保持不变。

这次在AWE2021亮相的富氢天然气型S系列燃气热水器，是万和公司新开发的富氢天然气型燃气具代表。S系列燃气热水器的特点体现在：

（1）富氢天然气——适应燃气范围包括氢气混合比例不超过20%（V/V）的富氢天然气和常规天然气，通过了欧盟地区规定的富氢天然气燃烧稳定性测试；

（2）密闭燃烧室——平衡式燃烧系统，确保燃烧过程所需的空气全部从室外吸入，而燃烧过程产生的烟气全部排出室外，有效防止发生一氧化碳中毒和其他烟气引起的危险；

（3）浓淡燃烧器——先进的浓淡燃烧技术有效抑制烟气中氮氧化物的生成，符合欧盟地区现行环保标准；

（4）自适应调节——能够依据烟管结构或室外气象条件引起的排烟阻力变化，自动调整风机运行状态，从而保持燃烧过程的安全稳定，此外，能够感知燃气热值变化进行自动补偿，维持热水输出的稳定；

（5）长寿命设计——以可靠性技术为基础的长寿命设计方案，结合预防性维修措施，满足产品20年安全运行的需要。

在此之前，日本林内公司在2021年1月发布了全球第一批适用富氢天然气（HENG）的家用燃气具产品，包括燃气热水器5个系列、燃气采暖炉1个系列以及燃气暖风机5个型号。其中，燃气热水器和燃气采暖炉适用氢气比例为30%以下的富氢天然气，燃气暖风机适用氢气比例为10%的富氢天然气。

富氢天然气产品在欧盟地区的市场准入进程已经启动。2019年，“用作燃气的氢气混合物测试项目”（THyGA）成为欧盟委员会组织的“燃料电池和氢气联盟”（FCH2JU）的工作计划内容。THyGA的主要工作任务“在民用和商业终端使用的天然气中掺入氢气”课题研究预计历时3年，于2020年1月启动，计划在2022年12月完成，该项目的研究成果将作为欧盟制订富氢天然气型燃气具进入民用和商用场所的政策依据。由此可以推断，欧盟地区富氢天然气型燃气具正式产业化时间可能在2023年左右。

纯氢型燃气具

2020年2月，德国博世公司的英国公司伍斯特·博世（Worcester Bosch）发布了使用纯氢燃料的燃气采暖热水炉开发成功的消息。博世公司的纯氢燃气采暖热水炉运行测试从2017年开始。该产品的外形尺寸与目前使用常规天然气的燃气采暖热水炉相同，安装和使用要求也是与现有的同类常规天然气产品相同。该产品使用天然气和纯氢两种气源，所以在氢气供应未完成之前，就使用天然气运行，当需要改用氢气时，只需要简单调整产品状态就可以完成切换工作，耗时在1小时之内。需要说明的是，对于该产品，氢气含量不超过20%的富氢天然气仍然视为天然气类燃料。伍斯特·博世公司将这种设计称为“氢气就绪（Hydrogen Ready）”。该方案意味着相关产品可以在氢气供气管网覆盖的地区提前安装，而供暖系统的各种设备无需因为未来气源切换而进行更新，将给燃气公司和用户带来经济、便利的好处。

欧洲另一家燃气采暖热水炉制造商英国喜德瑞集团的八喜（Baxi）公司制造的使用纯氢燃料的燃气采暖热水炉，已经于2019年6月在荷兰罗曾堡投入运行。这是全球首个将纯氢作为燃料的冷凝式采暖热水炉用于住宅集中供热系统的项目。

八喜和伍斯特·博世公司已经在英国HyStreet安装了纯氢气燃气采暖炉，专门建造的示范建筑位于英格兰诺森伯兰郡Spadeadam的挪威船级社（DNV）专业试验场。该示范住宅计划在2021年4月投入运行。目前这些使用纯氢气的燃气采暖炉已经完成200多项测试，目的是研究和证明家庭和燃气输配送系统转化为氢气系统的安全性。该项目是由Ofgem赞助的H21网络创新竞赛项目的一部分。英国北方天然气管网公司正与合作伙伴Cadent、苏格兰天然气管网公司、威尔士和西部公用事业公司、英国国家电网公司、挪威船级社和卫生与安全管理局（HSE）的技术部门共同领导该项目。H21正在展示如何将现有天然气管网改造，以安全地输送100%氢气。对于第一个演示项目，八喜和伍斯特·博世公司都在HyStreet的房屋中安装了锅炉。锅炉的开发是英国政府资助的Hy4Heat计划的一部分，该计划还支持开发氢气专用燃气灶具和燃气热水器等。

日本长府公司于2020年8月宣布，该公司开发的以纯氢气为燃料的燃气热水器已经完成4年的现场运行测试。该燃气热水器的热水加热能力为温升25K条件下，每分钟热水输出流量为5L，系统配套的储水箱容积为200L。考虑到燃料电池的技术经济性，燃料电池的额定功率约为700W，正常运行时，用于加热水的功率仅为500W左右，所以需要配套燃气热水器以满足热水加热的需要。2016年12月，长府公司作为参与方提供了适用纯氢气的燃气热水器，在一项家用氢能利用示范项目中开始运行。项目参与方包括日本山口液氢公司、岩谷公司、东芝公司等。该项目利用东芝公司开发的纯氢气家用燃料电池进行热电联产运行，长府公司提供的燃气热水器作为辅助热水加热装置与燃料电池配套。

目前全球规模最大的纯氢燃气热水器的使用区域，是将于2021年投入使用的日本东京奥运会运动员村。该奥运村已经安装了4000台的纯氢气燃料电池，并内置了热水辅助加热装置。

标准技术体系

2021年3月，中国城市燃气氢能发展创新联盟（以下简称城燃氢盟）正式成立了燃气用具专业委员会（以下简称燃气用具专委会）。第一届燃气用具专委会委员由佛燃能源集团、广东万和新电气股份有限公司、国家燃气用具产品质量监督检验中心（佛山）等单位组成。城燃氢盟燃气用具专委会是探索氢能推广应用新道路和新模式的重要体现，第一届专委会主要任务是以燃气用具为终端探索富氢天然气、纯氢在住宅和类似场所的有效利用途径；开展相关领域技术、产品、检测等研发工作及相关标准研制工作；推动相关法规政策的出台等。城燃氢盟燃气用具专委会是国内首个在氢能利用领域的燃气用具专业技术组织。

中国城燃氢盟成立于2020年，是佛燃能源集团股份有限公司与中国市政工程华北设计研究总院有限公司联合相关政府部门、研究机构、社会团体和行业组织等单位共同发起，旨在坚定中国能源改革方向，谋划城燃行业转型路径，在氢能产业发展热潮背景下打造中国产学研用资多赢的技术创新服务平台。万和公司已经于2021年2月正式成为中国城市燃气氢能发展创新联盟成员。

目前对欧盟地区富氢天然气型燃气具影响较大的是THyGA项目，该项目的结果直接影响了EN 437《试验气体、试验压力、器具分类》的修订。EN 437是富氢天然气型燃气具进行安全认证的依据，负责该标准制修订的标委会CEN/TC 238目前正在进行相关的起草工作。

THyGA的阶段性研究报告《氢气混合物的非燃烧相关影响—材料相容性》，提出了几个关键的结论：在不超过5000Pa的压力下，即使氢气浓度达到50%，常用的金属材料，如碳钢、不锈钢、铜、黄铜、铝合金等，不会出现氢脆现象，除非存在高应力情况；对于常用的高分子材料包括聚乙烯（PE）等，与50%浓度氢气长期接触不存在明显的化学相容性问题；需要注意氢气的泄漏水平较高，约为12T天然气的2.5倍，但对于氢气浓度仅为20%以下的富氢天然气输送管道系统以及相应的燃气具内部气密性的影响十分小。目前在正常运行条件下，家用燃气具的燃气压力一般不超过3000Pa。由于欧洲计划近期实施的富氢天然气示范项目的氢气浓度均为20%以下，而日本林内公司能够提供适应氢气浓度30%的燃气具，由此可见，从材料相容性的角度，过去20多年积累的对富氢天然气型燃气具的材料要求是具有充分裕度的。

作为Hy4Heat计划的支撑性技术标准，PAS 4444:2020《氢能燃气具指南》已于2020年5月15 日由英国国家标准机构BSI发布。该标准是氢能终端应用英国第一项快速跟踪的标准化文件，称为“公共可用规范”，可为氢能燃气具的开发和使用提供指导。这些燃气具可能是氢能专用型，也可能是日后可以切换为适应使用氢能的状态的产品。

PAS 4444是与现行燃气具标准配合使用的氢能使用附加要求，除非另有说明，技术性能要求采用现行的相应家用燃气具标准。该标准主要用于指导燃气具制造商适应氢能燃气具的技术要求，规定了使用纯氢气或富氢天然气的安全性和功能性要求，不仅适用于全新的燃气具，也适用原先使用天然气的燃气具改装，适用的的燃气器具范围包括采暖炉和灶具等。

行业发展前景

氢气混合比例不超过20%（V/V）的富氢天然气作为家用燃气具的气源，是目前国际上家用燃气利用领域技术发展的重要课题，已经有积累超过20年的试验研究经验。目前，在全球范围内富氢天然气试验、示范项目约有40个，中国目前已经有多个项目或计划启动，部分国家、地区已经启动了富氢天然气产业化计划。在中国，相对于其他氢能利用技术领域，家用燃气具是使用富氢天然气技术成熟度和产业成熟度较高的领域。在2021年“两会”期间，氢能利用受到不少两会代表的关注，对于富氢天然气在民用建筑领域的推广应用，便是其中一个议题。

“两会”期间，有代表认为需优先发展相对易实现、可大规模应用的场景；制定天然气管道混合输氢、民用加氢天然气使用等技术规范；将氢气混合入天然气管道中进行输送，准许更多民用、工业用氢场景，相对于现在试点的公共交通车辆用氢，使用量会明显加大，运输成本会更低，拥有现有运输管道网络、市场占有量的大中型石油燃气企业容易转型加入，优先使用氢能的社会共识更易形成。同时，有关人士指出，全产业链氢能规范标准建设中，需尽快制定氢气的管道输送、天然气管道混合输氢、民用加氢天然气等行业标准、国家标准的技术规范，据此完善支持工业及民用领域使用加氢天然气的政策规定。

目前英国是欧洲地区中对天然气转换为氢能工作推进最为积极的国家之一，英国的天然气使用量占该国温室气体总排放量的35%，这意味着如果英国要实现2050年净零排放目标，则必须对天然气管网进行脱碳，这是自60多年前天然气首次进入英国家庭以来的第二次革命。这是事关该国28.4万公里的天然气管道网络从基于甲烷的天然气转变为零碳替代方案，英国的5家天然气管网运营商也因此面临着巨大的压力。当前，英国已部署10多个天然气掺氢项目。近期披露的H100File项目更是意在打造100%纯氢气管网系统实验。

2020年底，一个由燃气锅炉制造商和燃气管网运营商组成的联盟向英国首相发出公开信，呼吁从2025年起，英国家庭所有新安装的燃气采暖炉都应为氢气做好准备。在这封公开信中，主要的燃气采暖炉制造商八喜和博世以及英国的5家最大的燃气运营商联名提出：2025年开始强制安装适应氢能燃气的采暖炉。英国首相在他最近的《绿色工业革命的十点计划》中采纳了这项建议。八喜和博世公司指出，实施这项措施是必要的，以确保英国家庭在未来有不同类型的低碳供暖设备可供选择，如氢能燃气采暖炉、热泵，或将两种热源装置集成的新型系统。

对于氢能燃气采暖炉的推广方式，该联盟建议采用氢能就绪方案。氢能就绪方案是实现常规天然气燃气具向氢能燃气具过渡的可行方法。满足氢能就绪要求的燃气具既可以适应富氢天然气或纯氢气，又可以适应常规天然气。在富氢天然气或纯氢气供应条件不具备的情况下，先使用常规天然气，供应条件具备后以简便的操作进行切换，有效解决在气种切换时出现燃气具集中置换造成的一系列问题。万和公司富氢天然气产品在设计方案中考虑了类似氢能就绪方案的措施，从而形成富氢就绪方案，由于相关产品允许富氢天然气中氢气含量在0~20%的范围内变化而不需要进行调整，同时将天然气视为氢气含量为零的特殊富氢天然气，这为未来将要使用富氢天然气的地区在燃气具选择方面带来了便利。

此外，有业内人士指出，氢气含量为20%的富氢天然气中的氢气，其实只有以往使用的焦炉煤气中氢气含量的1/3左右，在家用燃气具领域，富氢天然气的技术风险尤其是安全风险显然不会高于焦炉煤气。事实上，焦炉煤气在多年使用过程中已经积累了丰富的经验，可以考虑利用焦炉煤气配制富氢天然气，在天然气替代过程中，一些地区的焦炉煤气逐步退出家用燃气市场。其实，焦炉煤气中氢气的含量高达60%，其次是甲烷约25%，不可燃成分通常低于10%。所以，若焦炉煤气经过适当净化，然后与3.5~12.5倍的天然气混合，可获得氢气含量为5%~20%的富氢天然气，不可燃成分的含量约为0.7%~2%，作为家用燃气具燃料，其热力性能与电解制氢获得的氢气混合而成的富氢天然气几乎相同，但是制备成本明显降低。由于采用“富氢就绪”方案的燃气具对气源具有较宽范围的适应能力，相应的燃气具能够适应利用焦炉煤气配制的富氢天然气。在有条件获得焦炉煤气的地区，可以尝试上述方案。这一方面能够充分利用原有的焦炉煤气供气设施，解决焦炉煤气的消纳问题；另一方面，也可以为未来富氢天然气的推广应用奠定基础。