自2020年9月中國向世界鄭重宣布“雙碳”目標后，全面推進綠色轉型已經成為各行業未來發展的題中之義。家用燃氣具行業也不例外，加速踏上低碳發展之路的需求變得愈發迫切。

家用燃氣具行業的低碳措施與其他制造業有一定的共性，包括全產業鏈和全生命周期兩個主要維度。其中，產業鏈維度主要涉及原材料供應鏈、綠色工廠、綠色配送等環節，產品生命周期緯度則涉及產品設計、制造、使用、廢棄和再利用等環節。從產品自身來看，低碳特性主要取決于在設計階段對產品的資源屬性、能源屬性、環境屬性和產品屬性的定義。具體到家用燃氣具產品，這類產品能源轉換器具的屬性決定了其碳排放量的90％以上產生于使用過程。因此，產品的功能和性能對家用燃氣具行業的碳排放水平具有決定性作用。

然而，值得注意的是，家用燃氣具在待機、點火和熄火過程中的天然氣泄漏，以及天然氣在燃燒過程中產生的氮氧化物，同樣是碳排放控制工作中不可忽視的問題。能源的綠色轉型將給家用燃氣具行業的未來發展帶來巨大的影響，可再生燃氣的發展將助力行業應對碳中和挑戰。

天然氣的溫室效應

以天然氣為代表的燃氣是如今家用燃氣具使用過程消耗的燃料。天然氣是化石能源的一種類型，在燃燒過程不可避免地產生碳排放。碳排放控制措施的目的在于減少大氣中溫室氣體排放，行業需要對燃氣使用生命周期的溫室氣體排放給予關注。除了燃燒過程中排放二氧化碳（CO2），與天然氣相關的主要溫室氣體還包括未燃燒的天然氣，以及天然氣在燃燒過程中產生的二氧化氮（NO2）等。

在天然氣開采、儲運以及使用過程中的直接泄漏（包括燃氣具在待機過程中燃氣泄漏），所產生的溫室效應大致達到了在燃燒過程中碳排放效應相同的數量級。據清華大學的研究數據，甲烷按100年計算的溫室效應是二氧化碳的24倍，按20年計算為二氧化碳的84倍。甲烷減排對近期控制溫升速度的影響和作用更大，同時對改善環境質量也有重要作用。

燃氣具在待機狀態下，微量的燃氣泄漏不可避免，雖然微量泄漏不會導致著火等安全問題，但是對溫室效應產生的影響不可忽視。國內外研究均表明，天然氣燃氣具在使用過程中（包括點火、燃燒以及熄火階段），均會不同程度地帶有不完全燃燒的甲烷，其中點火和熄火的時候，甲烷的排放量最大。總體來說，減少待機過程和使用過程中點火與熄火的燃氣泄漏量，將成為家用燃氣具減碳工作的新課題。

此外，近十年的研究結果確認，氮氧化物（NOx）中的二氧化氮在大氣中的溫室效應約為二氧化碳的300倍。由此可見，氮氧化物不僅是主要的空氣污染氣體，也是主要的溫室氣體，因此，降低家用燃氣具燃燒過程中排放的氮氧化物水平，對于溫室效應的控制也具有重要的意義。目前，國內家用燃氣具行業在降低氮氧化物的技術措施方面已經有了較多的儲備，但是除了部分地區對氮氧化物排放有較嚴格的要求之外，采用低氮氧化物技術的產品在市場上的份額較小。究其原因，一方面是因為采用低低氮氧化物技術的產品的制造成本較高，另一方面是因為主流的低氮氧化物技術方案在實施過程仍然存在設計、制造方面的技術瓶頸。例如，采用全預混技術的燃氣采暖熱水爐，具有顯著的氮氧化物排放量低和熱效率高的特點，但是，歐洲企業的典型技術方案對燃氣的氣源質量、使用環境的空氣質量以及例行的維護服務都有較高的要求，導致相應的產品在中國市場，尤其在二三線市場運行情況不理想。上述問題均是目前家用燃氣具產品實現低碳發展需要攻克的重要課題。

日立造船公司用二氧化碳生產合成天然氣的設施完工

燃氣的零碳路徑

家用燃氣具的碳排放控制，目的在于減少燃氣使用過程中產生的溫室氣體，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。長遠來看，燃氣的零碳路徑探索，將助力家用燃氣具擺脫“天然氣”的束縛，真正實現綠色低碳發展。可再生能源不僅可以轉換為電力，也可以轉換為燃氣。家用燃氣具用可再生燃氣的研究和開發工作，目前主要圍繞生物天然氣、合成天然氣和氫氣的開發利用課題展開。

可再生燃氣的碳排放屬性通常具備低碳或零碳特征，雖然生物天然氣和合成天然氣的成分與常規的化石天然氣相同，主要成分為甲烷，在燃燒時排放二氧化碳水平與常規天然氣無異，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方式實現零碳排放，未來將成為城鎮天然氣的組成部分，對燃氣行業實現碳達峰、碳中和目標發揮積極的作用。

氫氣則是完全避免與碳排放過程相關，當氫氣制備過程是利用可再生能源實現，從制備到燃燒就都不存在碳排放問題。因此，當氫氣成為可再生能源載體，本身就是零碳燃氣。零碳燃氣進入城鎮燃氣管網，必將有效減少家用燃氣具的碳排放影響。

下文將對燃氣實現零碳的三大路徑分別進行探討，希望能夠為家用燃氣具行業探索低碳發展之路時提供新的思路。

路徑一：生物天然氣

2019年底，國家發展和改革委員會、國家能源局等十部委聯合印發了《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》，其中將生物天然氣納入國家能源體系。該指導意見提出，到2025年，生物天然氣年產量超過100億立方米；到2030年，生物天然氣年產量超過200億立方米。目前，中國生物天然氣年產量不足1億立方米，未來市場發展空間廣闊。

生物質燃氣的開發利用目前有多條技術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展較快的技術路線。沼氣通常來源于養殖業的廢棄物，隨著生物天然氣需求的增長，來源相應擴大，農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規模得以大幅度增加。生物天然氣的主流制取方法是利用生物反應獲得沼氣，其主要成分為甲烷和氮氣，其中氮氣的比例通常超過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天然氣的水平，克服沼氣熱值低、成分復雜、參數不穩定等缺陷，使得生物天然氣具備進入常規天然氣管網的條件。除了沼氣之外，生物天然氣還可以利用生物質熱解氣、垃圾填埋氣等含甲烷原料氣，以及利用生物質液態燃料，如甲醇、乙醇等制取，只是從可持續發展的角度，這類生物質燃料的獲取應盡量避免消耗糧食類的原料。

中電建蘭考生物質制氣有限公司

NB/T 10489-2021《進入天然氣長輸管道的生物天然氣質量要求》的發布和實施，意味著在生物質能源資源豐富地區制取的生物天然氣，可以利用既有的天然氣輸送管道進行長距離輸送，同時也可以利用城鎮燃氣配送管網向終端用戶輸送。這使得可再生燃氣的輸送具備了類似可再生電力的特征。可再生電力可以通過與電網的連接，實現遠距離輸送，從而實現常規電力的替代；與之類似，可再生燃氣也可以利用既有的輸送系統實現常規天然氣的替代。迄今為止，中國已經發布了GB/T 40506-2021《生物天然氣 術語》、GB/T 41328-2022《生物天然氣》、NB/T 10136-2019《生物天然氣產品質量標準》等一系列國家、行業標準，標志著生物天然氣規模化應用的條件日臻成熟。未來，燃氣管網中燃氣碳排放水平將隨著可再生燃氣比例的增加而降低。

2021年底，河南蘭考儀封項目生物天然氣成功并入市政管網。該項目日產2.5萬立方米生物天然氣（日產5萬立方米沼氣），項目投產后是國內規模最大、技術最先進的生物天然氣項目，正常年達產后，可年處理玉米秸稈3萬噸以及其他養殖業廢棄物。項目將農作物秸稈、養殖業廢棄物等有機廢棄物產生出沼氣和消化液。沼氣作為生物質能源，進行凈化后作為生物天然氣進入市政燃氣管網，項目同時還生產有機肥料就近利用。

丹麥是歐洲的天然氣出口國，天然氣在一次能源消費占比約為15%，但是目前丹麥國內天然氣供應量中約有10%是來自生物天然氣，預計到2050年丹麥全國的天然氣供應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70年代的第一次能源危機，最初是為了對養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燃氣協調委員會，開始對生物天然氣進行規模化發展，集中建設若干生物天然氣工廠，每家工廠日產氣1000~15000立方米，生物天然氣經過脫硫等處理后進入天然氣管網。

自1991年開始實施的碳稅政策造就了瑞典生物天然氣的快速發展。該國支持產業生物天然氣發展的政策，包括對建設生物天然氣工程項目的工廠或農場給予工程投資30%的補貼，對生物質燃氣提純后的替代燃料免征化石燃料使用稅，減征生物天然氣企業增值稅等。在供熱方面，碳稅政策使化石燃料成本大幅上升，燃油供熱由于價格飆升被逐出了工業和民用市場。1970年燃油供熱占瑞典90%的市場份額，而到2010年僅剩不到2%，這部分市場主要轉換為生物天然氣供熱，目前生物天然氣供熱約占據了瑞典全國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路線正在進行研究和開發，包括利用二氧化碳和氫氣（H2）合成甲烷的技術路線。利用二氧化碳與氫氣合成制取合成天然氣的主要目的，是結合碳捕獲措施實現碳循環，所以只有二氧化碳的來源為碳捕獲才能符合制取零碳燃氣的要求。基于二氧化碳捕獲的合成天然氣技術，將二氧化碳作為生產原料，實現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的方式來取代直接向大氣中排放二氧化碳的技術，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產生的碳排放物捕獲、收集并存儲到安全的碳庫中，同時直接從大氣中分離出二氧化碳并安全存儲。碳封存技術的研究工作開始于20世紀70年代，到目前為止進展依然緩慢，如何確保長期有效地封存二氧化碳，雖然方案不少，但似乎還沒有一個滿意的答案。將二氧化碳資源化，使之成為燃料生產的原料，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，就減少了相應的碳封存需求，也減少了使用化石能源產生的二氧化碳排放，實現了良性的低碳過程循環。此外，生物天然氣的利用實際上也促進了二氧化碳的捕獲。因為生物天然氣原料是植物，植物生長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與生物天然氣類似，合成天然氣對輸配送設施和終端燃氣具的要求，與常規天然氣是相同的。目前合成天然氣相關技術基本上仍然處于研究試驗階段，在城市燃氣領域尚未具備商業化應用的條件。

日本的合成天然氣生產始于1995年，目前日本在該領域的技術應用在全球處于領先水平，但是至今仍然處于示范驗證階段。2022年3月，東京燃氣公司與橫濱市合作實施合成天然氣示范項目。該項目利用橫濱市資源循環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電解水制氫氣，進行合成天然氣生產。大阪燃氣公司計劃于2024年下半年至2025年啟動產能為400Nm3/h的合成天然氣生產裝置設備，這一規模為目前全球最大。大阪燃氣公司將與資源巨頭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合成天然氣。東邦燃氣公司計劃在2030年之前采用直接從大氣捕獲二氧化碳的技術進行合成天然氣生產。

此外，分布式合成天然氣設備的技術驗證項目也在實施中。這類設備規模較小，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備，驗證在工廠內實現二氧化碳循環；IHI公司正在福島縣相馬IHI綠色能源中心，進行利用可再生能源生產合成天然氣的工藝驗證，目前的生產能力為12.5Nm3/h，計劃到2025年前后將規模擴大到數萬Nm3/h。

德國奧迪公司合成天然氣示范項目于2013年投入運行，利用氫氣和二氧化碳生產合成天然氣

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，據稱是全球第一套投入商業化運行的“電力轉換燃氣（Power to Gas）”的裝置，所生產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，由利用風力發電生產的電力進行水電解獲得。

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進行合成天然氣制備，氫氣難以遠距離輸送的問題就會迎刃而解。同時，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氣具的燃料，在輸配送設施和燃氣具方面都存在一些需要解決的問題，而合成天然氣替代常規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存載體的特征，例如將電力轉換為氫氣進行儲存，以解決能源供需不同步的問題。同時，氫氣的可燃性也使得其能夠作為燃氣的直接替代品使用。據中國氫能聯盟預計，到2050年，氫能在中國終端能源體系的占比將超過10％。據中國沼氣學會2021年10月發布的《中國沼氣行業“雙碳”發展報告》，到2050年，以沼氣為代表的生物質燃氣占一次能源消費總量的比例將與氫能大致相當。保守估計，到2050年，城鎮燃氣中將有50％左右是氫氣和生物天然氣、合成天然氣等非常規天然氣。

日本政府在2021年6月制定的綠色增長戰略也提出，到2030年，合成天然氣在城市燃氣的占比為1%；在2050年之前，合成天然氣在城市燃氣的占比將達到90%，剩余10%的城市燃氣將通過直接利用氫氣或沼氣等實現零碳化。

林內公司的天然氣型N系列燃氣熱水器可以適用氫氣比例不超過30%的富氫天然氣

在建筑領域，氫氣作為家用燃氣具燃料的意義，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現熱電聯產，實現能源的梯級利用，達到技術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，對提高全社會的能源利用效率影響有限。家用燃氣具的氫能利用方式是利用氫氣替代部分或全部天然氣，家用燃氣具能夠大規模地實現氫氣的利用。一個燃氣灶具的燃燒器功率約為4kW，一臺燃氣熱水器或燃氣采暖熱水爐的熱輸入功率為20kW~40kW，如果這些燃氣具輸出的熱量通過電能轉換，現階段全社會需要成倍地增加化石能源的消耗。此外，家用燃氣具的銷售價格較燃料電池要低，約為后者的1％~20％。因此，現階段家用燃氣具是利用氫能最具技術經濟優勢的產品。

由于現有的城鎮燃氣管網以及家用燃氣具不能適應純氫氣，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HyDeploy項目獲得英國健康安全與環境部（HSE）批準，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行燃氣輸送規范的試驗項目。HyDeploy項目試驗分三個階段實施：第一階段，在基爾大學內向100戶家庭和30個教學樓供富氫天然氣；第二階段，在東北部的NGN管網進行；第三階段，在西北部的Cadent管網進行，規模約為700戶家庭。

位于德國巴登符騰堡州的厄林根小鎮在2019年啟動了住宅富氫天然氣示范項目，項目由管網公司Netze BW負責規劃和建設，參與示范項目的家庭為30戶，利用原有天然管道注入氫氣獲得富氫天然氣，用于家用燃氣具燃料，項目運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有多家生產企業發布了氫能家用燃氣具產品，使用燃料包括純氫氣和富氫天然氣。日本林內公司繼在2021年1月發布全系列富氫天然氣型家用燃氣具產品之后，于2022年發布了純氫型家用燃氣熱水器產品。據預計，歐洲將于2023年啟動氫能燃氣具商業化應用，富氫天然氣型燃氣具先投入市場，純氫氣型燃氣具將在2025年投入市場。

在中國，萬和公司率先在AWE2021上發布了全線富氫天然氣型家用燃氣具，包括燃氣熱水器、燃氣采暖熱水爐、燃氣灶具、戶外燃氣烤爐、燃氣烤箱等7個型號，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目提供家用燃氣器具樣機，包括燃氣熱水器、燃氣采暖熱水爐和燃氣灶具，相關產品均在前期經過驗證，通過由第三方實驗室進行的摻氫比例為20％的必要檢測項目，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，萬和公司進一步改進了富氫天然氣型燃氣具技術，適用氫氣比例提高至30％。

在純氫氣應用領域，2021年底，廣東萬和新電氣股份有限公司完成的“氫能家用燃氣灶具研究和開發”項目，產品使用燃料是比例為100％的氫氣，被鑒定委員會專家認為“整體達到國內領先水平”。該項目技術對中國氫能燃氣具技術和行業的發展具有引領作用。