建造氢家园

盖茨黑德郊区的一处半独立式展示房似乎不太可能发生技术革命。但当这座外表不起眼的建筑在未来几周内开门时，它将标志着英国加速向零碳经济转型的一个关键时刻。

这是因为该项目是由英国天然气部门牵头的一系列开创性项目中的最新项目，它将是英国首次公开展示完全由氢燃料驱动的住宅。

由于用于家庭和工作场所供暖的能源占英国总碳排放的近17%，转向低碳供暖系统对实现英国的净零排放目标至关重要。

虽然人们期待着广泛的技术——包括热泵、电气化，甚至废弃煤矿的地热能(《工程师》，2020年9月)将扮演一个角色，工业界和政府都越来越觉得氢将扮演主角。

推动这一进程的关键努力之一是BEIS资助和奥雅纳(Arup)领导Hy4Heat计划该项目成立于2017年，旨在探索用氢气替代天然气取暖和烹饪的可行性。上述在盖茨黑德的试验(北方天然气网络领导的“氢气之家”项目)是通过该项目资助的许多倡议之一。

Hy4Heat经理——奥雅纳公司的土木工程师Heidi Genoni告诉《工程师》杂志，这一倡议将能源公司、电器制造商和研究人员聚集在一起，帮助推动人们对氢在未来能源结构中可能扮演的角色的态度发生了深刻的转变。

我们向政府提出的建议是，在未来的某个特定日期，他们要求每个锅炉都要准备好氢气

Carl Arntzen -伍斯特博世首席执行官

她说，当项目开始的时候，就像排除其他任何选择一样，排除了氢的可能性，但随着项目团队努力解决从氢装置的可行性到公众接受度的所有关键问题，将天然气作为英国能源转型的核心的理由越来越强。她说:“随着项目的进展，我们发现一切都是可行的，并找到了克服各种障碍的方法。”“每个人都开始意识到这真的是一种非常现实的可能性。”

这其中的关键之一是来自国内供暖领域一些最知名的公司的投入，包括英国市场领先的锅炉制造商伍斯特-博世公司，该公司开发了一款氢燃料锅炉原型，即将进行一系列重大试验。

伍斯特博世公司首席执行官Carl Arntzen告诉《工程师》杂志，当公司在五年前开始认真研究氢气时，他们打算回答两个关键问题:一是氢气能否在国内锅炉中安全燃烧，二是是否有可能制造出与现有系统相同大小的氢气锅炉?

Artntzen的团队首先研究了氢气和天然气在工程基础上的区别。

一个早期的胜利是，他们意识到氢气和天然气有一个大致相似的沃贝指数。这是对给定体积气体中热量的测量。Artnzen解释说，虽然氢气的热值比天然气低，但它的密度要大得多，这意味着相同体积的氢气和天然气将提供大致相同的热能。

这为早期的氢锅炉提供了信心，不仅可以在物理上相同的大小(因此不需要未来的客户重新配置他们的房子)，而且它还可以与现有的天然气网络兼容。他说:“现有天然气网络的规模大致是可以的，无论100%供应天然气还是100%供应氢气，供能量都是一样的。”

然而，氢的特性确实带来了许多工程上的挑战。Arntzen说，例如，与天然气相比，它的火焰速度要快得多，这给如何控制燃烧过程带来了一些最初的挑战。

该团队还遇到了一些早期的“闪回”问题，这是由于火焰速度和氢气火焰高度较短的结果。他解释说:“点火装置将燃料引到燃烧器上游，所以我们遇到了逆火。”“这是绝对安全的，但是你的锅炉每隔几分钟就砰砰作响，这当然是不可取的!”这两项发现都促使重新设计燃烧器面，以更有效地管理器具内的气体流动。

另一个关键的挑战是监测和控制火焰。虽然现有的家用锅炉通过检测气体中碳分子产生的电流来感知火焰的存在，但氢中没有碳分子意味着他们必须寻找不同的火焰检测方案。

在这一点上，Arntzen说，很明显，简单地将现有的燃气锅炉转换为氢燃料是不可能的，于是氢燃料锅炉的概念就诞生了，这个系统最初将以天然气为燃料，但可以轻松地转换为氢燃料。“它进入你的房子，燃烧天然气，然后，四五年之后，当你安装它，当你收到通知，你的地区将被转化为氢气，我们回来，迅速更换一些组件，锅炉就可以燃烧氢气了。”

除了其他制造商(包括英国另一家大型锅炉制造商Baxi)开发的各种氢电器之外，伍斯特·博世公司的原型锅炉现在正通过两项主要试验进行评估:盖茨黑德氢之家项目和H100Fife——苏格兰天然气网络(SGN)一项雄心勃勃的计划，将通过海上风力发电电解设备生产绿色氢，供应给苏格兰东海岸靠近Fife的利文茅斯(Levenmouth)大约300个家庭。

这些试验不仅为氢装置的可行性提供了进一步的证据，还将为将氢引入天然气网络和进入人们的家庭这一可能更为复杂的挑战提供宝贵的启示。

国家电网天然气传输长期战略经理丹妮尔·斯图尔特博士正努力解决这一难题。

斯图尔特告诉《工程师》杂志，多亏了国家电网的氢国家传输系统项目(HYNTS)进行的研究，现在有很大的信心利用现有的天然气网络来生产氢。然而，在这个过程中也有许多挑战。

例如，她说，虽然配电网的低压(7bar)聚乙烯管道或多或少可以立即被用于氢气，但人们担心，氢气可能会导致用于输电侧的高压(94 bar)钢管脆化。有趣的是，由HSE进行的早期研究表明，在氢中掺杂少量氧气可以帮助防止这种情况的发生。

国家电网现在已经开始了一系列的举措，旨在充分了解其资产的完整性、年龄和状况，然后再向氢气过渡。该公司还在为其迄今最大的研究项目“未来电网”(FutureGrid)做准备，该项目将与天然气分销公司、研究团体和其他机构合作，详细探讨将全国输气系统转换为氢气的可能性。

该项目在圣诞节前获得了OfFGEM公司1000万英镑的资助，第一阶段将在挪威诺森伯兰郡Spadeadam的DNV GL工厂的一系列退役资产中建造一个小型离线氢气传输系统。该网络将使用一系列不同的天然气/氢气混合物进行测试，从2%的氢气开始，一直到100%的氢气。Stewart说:“目的是了解氢气对我们资产的影响。”“当我们把混合的氢放进去，100%的氢会发生什么?”这些资产能应付吗?我们需要替换它们吗?还是以较小的规模进行干预?”

英国国家电网关注的主要领域是输电网，FutureGrid将与另一项进一步的倡议——由OFGEM资助的H21项目——重叠，该项目正在探索将氢带入家庭的输电网周围的一些挑战。

自2017年开始运行以来，该项目已经进行了一些关键的试验，包括在德比郡巴克斯顿专门建造的HSE设施进行详细的泄漏测试。下一阶段将在Spadeadam建设一个线下分销网络，该网络将连接到一排专门建造的示范住宅，称为HyStreet。

随着人们对这项技术的信心不断增强，人们也越来越相信，这项技术将在未来十年的转型中发挥关键作用。几年前，这个行业还处于能源辩论的边缘，而现在，这个行业的发展势头明显。“事情很紧急，”斯图尔特说。“如果这是我们作为一个国家所走的道路，那么有很多网络可以过渡到氢。仅输电网就有7.5公里的管道，配电网也大幅增加。这不是一夜之间就能实现的。”

这种转变可能会是什么样子还有待讨论，但似乎很有可能的是，这种转变将从气体与我们现有网络的一种不知不觉的混合开始。斯图尔特说，这种方法可能是增加氢需求的关键，并推动生产绿色氢所需技术的大规模工业化。更重要的是，正如最近在基尔大学完成的HyDeploy项目所展示的那样，终端设备可以在不经过任何修改的情况下使用含有20%氢气的天然气混合燃料。

然而，混合只能让我们走到这里。最终，我们将需要做出一些重大决定，以确定我们使用什么战略来达到100%。“如何做到这一点是一个问题，”斯图尔特说。“你是开始区域化并破坏这个网络，在氢上形成区域，并最终将它们重新连接在一起吗?”还是继续增加混合比例，直到达到100% ?”

伍斯特博世(Worcester Bosch)的卡尔•阿恩岑(Carl Arntzen)认为，像英国在上世纪六七十年代从城镇天然气转向天然气那样的分阶段过渡，是最明智的前进方向。“我们向政府提出的建议是，从未来的某个日期开始，他们要求每个锅炉都要准备好氢气，然后你就可以重复上世纪70年代发生的天然气网络转换。这个概念是一个城镇一个城镇，一个城市一个城市地取代它。天然气网是一个电网，所以他们可以隔离不同的部分，开始向这些房屋供应不同类型的天然气。”

对于伍斯特博世(Worcester Bosch)和其他家电制造商来说，这种转变代表着一个潜在的巨大市场机会，然而Arntzen热衷于强调，他不认为氢燃料将是脱碳的唯一途径。他说:“虽然氢气将是许多现有家庭的适当解决方案，但在某些建筑中使用电力供暖将是正确的事情。”

事实上，他认为，像热泵这样的低温加热系统，以及适当的保温材料，应该是新建住宅的首选解决方案，并补充说，它们应该立即应用，而不是等待新的政府法规在2025年生效。“为什么现在不做呢?””他问。“因为从现在到那时，你建造的所有房子都需要重新装修才能达到目标。”

尽管如此，氢仍将发挥关键作用，而且它的案例也被一系列其他部门考虑的事实加强了。他说:“在过去的几年里，氢能的发展势头确实增强了。我认为，这是因为当你着眼于整个经济脱碳的挑战时，重工业和重型货物运输等其他部门也在认真考虑氢能的发展。如果在经济的两大部门都有需求，再加上国内的热量，那么氢能经济的前景就很可观了。”

我们已经做了可行性研究，我们已经有了技术，我们现在要开始实施这些计划

Heid Genoni - Arup, Hy4Heat项目经理

Hy4Heat公司的海蒂•杰诺尼也认为，氢气的“全方位”资质增加了它的吸引力。“有几种脱碳途径，成功的可能是所有途径的结合，”她说，“从某些孤立的标准来看，氢不是第一位的，但它在所有方面都是第二位的。”

Genoni补充说，氢气也特别适合英国，英国有一个巨大的现有天然气网络，以及大量的旧住房库存，在那里，电气化可能比使用天然气更具有挑战性和成本更高。她说:“显然，在可能的地方重新利用现有的基础设施更少浪费，更好。”“英国拥有世界上最全面的天然气网络之一。我们应该致力于重新利用现有的天然气网络，特别是考虑到在过去20年里，我们已经投资用这些新的塑料管道取代旧的铁质水管，这些塑料管道非常适合分配

氢的。”

考虑到英国的专业技术水平，Genoni乐观地认为，可以相对较快地实现向氢的过渡。她说，现在需要的是所有相关人员的共同努力。“为了向前发展，我们必须进入交付的心态。我们知道脱碳挑战的规模，我们已经做了可行性研究，我们已经有了技术，我们现在必须着手开始实施计划……没有时间可以浪费了。”

呼应Genoni的战斗口号，Arntzen呼吁政府对英国的氢未来做出坚定的承诺。“我们已经做了四五年的研究，我们越来越有信心，这是完全可行的。我们现在需要政府做出决定。未来的天然气网络，会转化为氢气吗?给我们一个答案。当氢锅炉被引入时，我们就可以继续研究，并投资于我们开发的原型的工业化。”