一、前言

氫能作為清潔、高效、應用場景多元的能量載體，是連接傳統化石能源與可再生能源的橋梁，成為當前能源產業(yè)發(fā)展的重要領域。發(fā)展氫能，可以有效優(yōu)化能源結構，降低傳統化石能源的消費量，促進能源結構轉型升級；將有效減少碳排放并降低環(huán)境污染，支持實現碳達峰、碳中和目標。以氫能為要素之一，構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系，是落實能源安全新戰(zhàn)略、推進能源革命的重要依托，對于新時期能源轉型發(fā)展具有重要意義。

氫能產業(yè)分為上游制氫、中游儲運、下游應用，涉及制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等環(huán)節(jié)，具有鏈條長、關聯度強、輻射廣等特點。目前，我國氫能產業(yè)鏈的上游、下游分布存在嚴重的空間不均衡情況，因而大規(guī)模集中制氫、長距離輸氫將是氫能產業(yè)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)；在制氫成本持續(xù)走低的前景下，氫能的儲運效率成為制約氫能產業(yè)規(guī)模化發(fā)展的瓶頸環(huán)節(jié)。適用于大規(guī)模氫能運輸的技術方案主要有集裝管束運輸、管道運輸、液氫槽車運輸等，其中管道運輸具有運量大、距離長、能耗少、成本低等優(yōu)勢，也是相對經濟且低碳的方式。目前，世界氫氣管道總里程超過4600 km，發(fā)達國家的氫氣長輸管道建設及輸氫技術較為成熟。在我國，純氫管道建設進展緩慢（總里程約為100 km），管道輸氫技術體系仍在發(fā)展完善過程中，不能滿足大規(guī)模氫能應用的實際需求；純氫管道的初始投資大、建設周期長，很難在短期內形成與氫能發(fā)展需求相匹配的輸運規(guī)模。

值得指出的是，近年來我國天然氣管網基本建成，實現了天然氣干線管道的互聯互通；若在天然氣中摻入一定比例的氫氣以組成摻氫天然氣，通過天然氣管網將摻氫天然氣輸送至終端用戶，隨后或者直接利用、或者提氫后分別單獨使用，將大幅提升氫能的時空調配規(guī)模與效率，實質性推動我國氫能產業(yè)快速發(fā)展。也要注意到，天然氣摻氫產業(yè)發(fā)展尚處于技術研發(fā)與應用示范的起步階段，技術體系的成熟度、摻氫天然氣的使用效能及潛在影響均具有相當的不確定性。為此，本文基于天然氣摻氫產業(yè)鏈構成，探討天然氣摻氫產業(yè)對我國能源行業(yè)高質量發(fā)展的價值，梳理天然氣摻氫產業(yè)的國際進展、國內現狀、關鍵問題，進而提出培育天然氣摻氫產業(yè)的發(fā)展建議，以期為相關領域高質量發(fā)展研究提供基礎參考。

二、 天然氣摻氫產業(yè)鏈范疇

《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》（2021年）要求統籌推進氫能“儲輸用”全鏈條發(fā)展。天然氣摻氫產業(yè)作為氫能“儲輸”的重要依托，需要從上游制氫到下游摻氫天然氣終端利用等全產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的技術支撐。

制氫技術路線主要有化石燃料重整制氫（如煤制氫、天然氣制氫）、工業(yè)副產氫（如焦爐煤氣副產氫、氯堿工業(yè)副產氫）、清潔能源電解水制氫、其他制氫新技術（如太陽能光解水制氫、生物質制氫。我國是世界最大的制氫國，制氫產量約為3300萬t/a；煤制氫作為我國現階段的主要方案，技術成熟度高且成本相對低，但碳排放量大、環(huán)境污染問題不容忽視。未來隨著風能、太陽能等新能源發(fā)電成本的降低，“可再生能源+電解水制氫”將降低碳排放強度，成為大規(guī)模制氫的優(yōu)選方案。

天然氣摻氫產業(yè)鏈的中游環(huán)節(jié)包括混氫、摻氫天然氣儲運，按照應用場景可分為向天然氣長輸管道、城市燃氣管網摻混一定比例氫氣來分別實現天然氣摻氫輸送。天然氣、氫氣均為清潔能源氣體，天然氣儲運基礎設施、關鍵設備對氫氣均有一定的適應性；但天然氣與氫氣在能量密度、爆炸極限、擴散系數等特性方面又有明顯差別，使得天然氣摻氫輸送對管材的適應性有特定要求，也會對壓縮機、調壓器、儲氣庫、儲罐、閥門等關鍵設備性能產生潛在影響。已有研究表明，利用天然氣管網輸送低摻氫比天然氣，原有管網的適應性較好；輸送高摻氫比天然氣，則需要更新（或改造）原有管材及設備，升級安全防控與應急技術體系。

天然氣摻氫產業(yè)鏈的下游環(huán)節(jié)主要是終端多元應用生態(tài)。居民用戶、商業(yè)用戶、工業(yè)用戶等終端用戶，既可直接使用摻氫天然氣，也可將摻氫天然氣進行提氫分離后再分別使用。例如，建筑領域可將摻氫天然氣應用于燃氣灶、燃氣熱水器、燃氣壁掛爐、小型鍋爐等；工業(yè)領域可將摻氫天然氣應用于工業(yè)鍋爐、燃氣輪機、燃氣內燃機、工業(yè)窯爐、工業(yè)燃燒器等。摻氫天然氣在交通領域也有良好的應用前景，如使用摻氫天然氣燃料可有效提高天然氣發(fā)動機的熱效率并降低污染物排放。

三 、發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)的重要價值

（一 ）突破氫能產業(yè)規(guī)模化發(fā)展瓶頸

當前，氫能儲運成本約占到“制儲輸用”全產業(yè)鏈總成本的30%~40%，在我國氫能儲運基礎設施發(fā)展薄弱的條件下，氫能產業(yè)發(fā)展遭遇“卡脖子”環(huán)節(jié)。按照氫能輸送狀態(tài)的不同，運輸方式分為氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)3類；氣氫輸送以長管拖車、純氫管道輸送、天然氣管道摻氫輸送為主，液氫輸送以液氫罐車、專用液氫駁船、液氫管道為主。一般認為，長管拖車在運輸距離小于200 km時具有成本優(yōu)勢；液氫遠距離輸送優(yōu)勢明顯，但在現有技術條件下液化系統能耗高且初始投資大。

相較而言，純氫管道輸送、天然氣管道摻氫輸送都能夠實現氫能的遠距離、大規(guī)模、低能耗運輸，但我國的純氫管道規(guī)劃與建設剛剛起步，形成大規(guī)模輸氫能力必然需要較長的周期。我國天然氣管網總里程約為11萬km，“全國一張網”已基本建成，2025年總里程將達到16.3萬km，這就為發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)提供了堅實的基礎條件?？梢哉J為，以摻氫天然氣的形式開展氫能儲運與利用，將是快速突破氫能產業(yè)規(guī)?；l(fā)展瓶頸的主要方式。

（二）解決可再生能源消納問題

我國西部地區(qū)風能、太陽能資源豐富，而區(qū)域經濟發(fā)展不均衡使得西部地區(qū)難以實現可再生能源的就地消納；可再生能源發(fā)電面臨間歇性、波動性、隨機性、調峰難等問題，導致棄風、棄光現象嚴重。因此，利用可再生能源制儲氫，將促進可再生能源的時空高效調配，提高可再生能源的消納利用水平。我國可再生能源發(fā)電裝機規(guī)模超過10億kW（2021年），疊加未來繼續(xù)增長的裝機量，為綠氫供給創(chuàng)造了極大空間。隨著可再生能源制氫技術的完善提升以及綜合成本的降低，積極發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)能夠規(guī)?；每稍偕茉粗迫〉木G氫，有效解決可再生能源的就地消納問題；這又將引導風能、太陽能等資源的全面開發(fā)，從而進一步提高可再生能源在能源生產結構中的滲透率。

（三）通過“氫進萬家”來緩解天然氣供應壓力

2021年，我國能源消費總量為52.4億tce，其中天然氣表觀消費量為3726億m3（同比增長12.7%）；結合天然氣產量（2076億m3，同比增長7.8%）來看，我國天然氣供需存在明顯缺口。在碳達峰、碳中和目標下，天然氣作為清潔低碳的終端能源類型，能夠與可再生能源發(fā)展形成良性互補的供能格局；2030年，我國天然氣年消費量將達到5500億~6000億m3，年產量在2500億m3左右，供應壓力進一步加大 。摻氫天然氣能夠利用氫氣替代一部分天然氣消費，若按摻氫比（體積比）10%~20%測算，同等熱值下，預計每年可替代100億~200億m3，將在一定程度上緩解天然氣的供應緊張問題。摻氫天然氣的多元化終端應用，將促進氫能生產與終端用能雙向協同，在參與保障天然氣供應安全的同時，實現“氫進萬家”。

（四）實現終端用能領域深度減碳

摻氫天然氣作為清潔低碳燃料，通過建成的天然氣管網輸送至工業(yè)、建筑、交通等難脫碳領域的終端用能設備，將降低終端用能的碳排放水平。荷蘭2007年開展的天然氣摻氫示范項目表明，天然氣摻氫后能使燃燒產生的碳氧化物、氮氧化物排放量大幅降低。在建筑領域，利用摻氫天然氣供暖是實現建筑領域能源消費低碳轉型最有潛力的發(fā)展方向。在交通領域，摻氫天然氣可提高天然氣內燃機的熱效率并減少排氣損失，降低車輛尾氣中的甲烷排放量。基于現有技術，將低于一定比例的氫氣摻入天然氣管網，無需改造升級現有的天然氣管網設施，因此發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)在有效提高天然氣管網整體調峰能力的同時，支持實現終端用能的深度脫碳。

（五）帶動氫能全產業(yè)鏈科技創(chuàng)新

發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)需要可再生能源制氫、儲氫、混氫、輸氫、提氫、用氫等全產業(yè)鏈技術的綜合發(fā)展。與領域先行國家相比，我國天然氣摻氫產業(yè)起步較晚，摻氫天然氣全產業(yè)鏈示范項目稀少，缺乏全面的技術體系和成熟的工程實踐。著眼經濟社會的實際需求，發(fā)展天然氣管道摻氫技術，必將帶動從能源生產端到消費端在內的全產業(yè)鏈科技創(chuàng)新，進而提升我國能源領域高端裝備制造技術水平，催生能源產業(yè)轉型升級新動力。如前所述，若按摻氫比（體積比）10%~20%測算，預計2030年有270萬~630萬t氫氣摻入天然氣管網；按照“制儲輸用”全生命周期成本（30元/kg）計算，全產業(yè)鏈產值將達800~1800億元/年。

四、天然氣摻氫產業(yè)發(fā)展態(tài)勢

（一）國際天然氣摻氫產業(yè)現狀

天然氣管網摻氫輸送技術理念在1972年即已提出。隨著可再生能源發(fā)電裝機容量的快速增長、燃料電池技術的迭代升級，相關產業(yè)的發(fā)展受到更多關注。歐盟、德國、法國、美國等發(fā)達國家和地區(qū)均發(fā)布了氫能戰(zhàn)略，認為天然氣管道摻氫輸送、將天然氣基礎設施改造為氫能基礎設施是打破氫能運輸瓶頸、促進氫能經濟發(fā)展的重要舉措（見表1）。在標準層面，國際上氫氣長輸管道技術已經成熟，對應的設計標準規(guī)范研究較為全面，如美國ASME B31.12—2019、歐洲CGAG-5.6—2005、亞洲AIGA 033/06—2006等。天然氣管道輸送技術形成了較為完善的標準體系，如美國ASME B31.8—2018、ASCEALA—2001、加拿大CSA Z662—2011等。然而，天然氣管道摻氫輸送專用的技術標準體系有待研究制定。

表1 主要國家和地區(qū)發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)的相關規(guī)劃

在示范項目層面，諸多國家開展了天然氣摻氫可行性研究、天然氣管道摻氫輸送示范工程建設，測試了不同比例的摻氫天然氣對管網基礎設施、終端設備的影響；已開展的天然氣摻氫示范項目的摻氫比多在5%~30%，氫源以可再生能源制氫為主。2004年，歐盟NaturalHy項目聯合15家天然氣企業(yè)開展了天然氣管道摻氫的潛在影響研究，認為天然氣管道中摻入20%的氫氣不會顯著增加爆炸等安全風險。2008年，荷蘭開展了風電制氫摻入天然氣管網VG2項目研究以明確摻氫比上限，2010年的平均摻氫比例達到12%。2014年，法國GRHYD項目探索將風電制氫以不高于20%的比例注入天然氣管網供居民使用，通過加氣站為天然氣動力客車提供摻氫比為6%~20%的摻氫天然氣。2019年，意大利國家天然氣管網公司開展了5%氫氣摻入天然氣管網試驗，目前摻氫比已提高至10%。2019年，英國公司將20%氫氣注入園區(qū)天然氣管網以研究摻氫天然氣對居民用戶的影響。2020年，澳大利亞啟動了天然氣摻氫示范項目，將基于可再生能源的電解水制氫以10%比例摻入到天然氣管網并供用戶使用。美國HyBlend項目針對天然氣管道摻氫輸送的技術瓶頸環(huán)節(jié)，開展長期使用條件下天然氣管材和操作對氫氣的相容性評估。

（二）我國天然氣摻氫產業(yè)現狀

目前，我國已是世界最大的制氫國，可再生能源裝機量保持領先，未來可再生能源制氫的發(fā)展?jié)摿薮?；基本建成了互聯互通的天然氣主干網，初步掌握了氫能“制儲輸用”全產業(yè)鏈的主要技術與生產工藝，發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)的基礎條件良好。

《“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃》《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》密集發(fā)布，要求開展摻氫天然氣管道及輸送關鍵設備安全可靠性、經濟性、適應性和完整性評價，探索輸氣管道摻氫輸送等高效輸氫方式，開展摻氫天然氣管道試點示范，逐步構建低成本、多元化的氫能儲運體系。然而，天然氣摻氫產業(yè)尚處于起步階段，尚未出臺國家層面的發(fā)展規(guī)劃。部分省份發(fā)布了地方氫能產業(yè)規(guī)劃，將天然氣摻氫技術作為氫能儲運及終端應用領域的突破口（見表2）。

表2 部分省份的天然氣摻氫產業(yè)規(guī)劃情況

全國氫能標準化技術委員會、全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會牽頭開展了氫能領域標準制定與修訂工作。我國已發(fā)布的氫能相關國家標準有90余項，但涉及天然氣摻氫技術的僅有《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》（GB/T 34537—2017）1項。此外，《煤制合成天然氣》（GB/T 33445—2016）規(guī)定了煤制合成天然氣一類氣中氫氣含量（摩爾分數）不超過3.5%，二類氣中氫氣含量不超過5%；《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》（GB/T 37124—2018）規(guī)定了天然氣中氫氣含量（摩爾分數）不超過3%。

我國天然氣摻氫示范項目起步較晚，目前初步建成的有2個：遼寧省朝陽市天然氣摻氫示范項目，氫源為電解水制氫，摻氫比例為10%，實現了制氫、儲運、摻混、利用全鏈條驗證；山西省晉城市天然氣摻氫示范項目，氫源為煤制氫。其他在建或規(guī)劃的示范性項目有12個。

五、發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)面臨的關鍵問題

天然氣管道摻氫輸送是一個復雜的系統工程，既要考慮技術可行性，還受安全性、經濟性的制約。雖然包括我國在內的諸多國家都在積極開展天然氣管道摻氫輸送的示范應用，但在大規(guī)模推廣應用之前需要系統解決以下關鍵問題。

（一）摻氫比例問題

天然氣摻氫后將對天然氣管網基礎設施及終端用能設備產生影響。摻氫天然氣中氫氣含量不同，對產業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)、不同設備產生的影響也存在差異。各國對摻氫比例上限的規(guī)定不盡相同；而在我國，不同氫氣含量對輸氣、用氣設施設備產生的影響尚不明確，示范項目也未形成統一標準。大力發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)，需要率先論證并明確適合我國發(fā)展實際的摻氫比例。應綜合考慮管材、設備、工藝的適應性，確定氫氣含量閾值，確保天然氣摻氫輸送的安全性，平衡相應的技術經濟可行性。

（二）管材及終端設備的適應性問題

當前，投入運營的天然氣管道是以輸送天然氣為基礎進行設計的，以天然氣為原料的工業(yè)用戶工藝流程是基于天然氣設計的，商業(yè)、居民用戶的終端用能設備多以天然氣為燃料。而在天然氣摻氫后，必然在一定程度上改變管道內原有天然氣的氣質條件；管道本體、焊縫、壓縮機、流量計、調壓器、閥門等均暴露在高壓富氫環(huán)境中，發(fā)生氫脆、氫腐蝕等氫損傷的風險有所加大，將對天然氣管道的運行工況、設備性能、安全維護帶來較大改變。對于終端用戶，燃氣器具、燃氣輪機、鍋爐、工業(yè)窯爐等燃燒設備因各自燃燒性能的不同而對摻氫天然氣的適應程度不盡相同，需要考慮摻氫后的燃氣互換性以及摻氫對燃燒特性的影響，適時開展摻氫天然氣與管材及終端設備的適應性分析。

（三）安全性問題

相比于天然氣的主要成分甲烷，氫氣的爆炸極限范圍更大，高壓情況下的滲漏速率更快，更易發(fā)生泄漏自燃現象，相應地摻氫天然氣泄漏后的爆炸風險也將有所擴大。對于終端用戶，天然氣摻氫后將降低氣體的熱值、華白數等參數，加快火焰燃燒速度，導致終端設備熱負荷下降，增大使用過程的回火風險。因此，天然氣摻氫后既會在一定程度上增加天然氣長輸管道和城市燃氣管網運營的安全風險，也對終端用能的安全性提出了更高要求；研究摻氫天然氣泄漏擴散規(guī)律及安全風險管控，是發(fā)展天然氣摻氫產業(yè)需重點關注的問題。

（四）經濟性問題

天然氣管道摻氫輸送可在短期內以相對少的資金投入來實現氫能長距離、大規(guī)模、網絡化運輸，有利于高效地將氫能產地與消費地連接起來。也要注意到，同樣體積氫氣的熱值只有天然氣的1/3，假定天然氣摻氫后能夠在終端提供相同熱值，則氫氣價格理論上應是天然氣價格的1/3；按照天然氣門站價格1.8元/m3計算，氫氣價格應為6~7元/kg，而這個價格遠低于現階段的制氫成本。從天然氣摻氫全產業(yè)鏈發(fā)展的視角看，目前天然氣摻氫項目的商業(yè)化應用并不具有經濟可行性。因此，需要挖掘天然氣摻氫的多元化應用場景，設計適合國情的天然氣摻氫產業(yè)生態(tài)圈與商業(yè)模式，從而促進制氫企業(yè)、管網企業(yè)、終端用戶等相關主體共同推動天然氣摻氫產業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展。

六、培育天然氣摻氫產業(yè)的建議

（ 一）加強天然氣摻氫產業(yè)的頂層設計和戰(zhàn)略研究

天然氣摻氫產業(yè)發(fā)展關系到氫能產業(yè)高質量發(fā)展、天然氣工業(yè)轉型發(fā)展，應加強天然氣摻氫產業(yè)的頂層設計和宏觀研究，深入剖析天然氣摻氫產業(yè)發(fā)展的技術路線與重點任務，覆蓋基礎研究、裝備研發(fā)、技術實證、應用研究、規(guī)范標準、性能測試、商業(yè)模式創(chuàng)新、教育推廣等方面。完善天然氣摻氫產業(yè)管理模式，建立摻氫天然氣推廣的激勵機制，合理加大對天然氣摻氫全產業(yè)鏈的財政、金融支持力度。

（二）構建天然氣摻氫產業(yè)安全監(jiān)管、技術與運營管理標準體系

高標準開展天然氣摻氫產業(yè)的安全與應急管理體系建設，探索建立基于信息技術、數字技術的天然氣摻氫產業(yè)安全監(jiān)管平臺；加強管理部門之間的溝通協作，可延續(xù)天然氣行業(yè)的管理模式，明確天然氣摻氫產業(yè)各環(huán)節(jié)的監(jiān)管部門及其責任義務。在當前天然氣管網監(jiān)管框架的基礎上，完善天然氣摻氫工程建設的監(jiān)管審批流程。梳理天然氣摻氫產業(yè)標準化工作重點，保持摻氫天然氣與氫能、天然氣、城鎮(zhèn)燃氣標準的協調發(fā)展；加快天然氣摻氫產業(yè)的國家、行業(yè)標準體系建設，推動天然氣摻氫產業(yè)的規(guī)范有序發(fā)展，支持管理部門開展監(jiān)管工作。

（三）加強天然氣摻氫“政產學研用”合作

建議針對天然氣管道摻氫輸送、摻氫天然氣終端利用，面向2030年、2060年研發(fā)與應用重大需求，設立國家級科技發(fā)展支持項目；加強國家級、地方性研發(fā)計劃對天然氣摻氫基礎設施、技術和裝備的國產化支持力度。遴選行業(yè)骨干企業(yè)、優(yōu)勢高校與科研院所，聯合組建國家級天然氣摻氫綜合試驗平臺、工程技術中心，集中力量來共同開展天然氣摻氫產業(yè)關鍵材料、技術、工藝、設備的科技攻關。支持高校、科研院所高質量開展氫能、天然氣、綜合能源等的學科建設與人才培養(yǎng)，鼓勵天然氣摻氫領域國際合作與技術交流，形成國際化的產業(yè)創(chuàng)新機制和模式。

（四）組建天然氣摻氫產業(yè)創(chuàng)新聯盟

把握未來10年天然氣摻氫產業(yè)發(fā)展的重要機遇期，建議以政府引導、企業(yè)主導、多方參與、利益共享為原則，協調產業(yè)鏈相關企業(yè)積極投入并破除行業(yè)壁壘，建設“制氫 ? 混氫 ? 儲運 ? 提氫 ? 用氫”一體化的產業(yè)鏈；探索形成摻氫天然氣多元化應用場景和商業(yè)模式，培育健康可持續(xù)的天然氣摻氫產業(yè)生態(tài)圈，共同拓展天然氣摻氫產業(yè)發(fā)展新格局。鼓勵油氣企業(yè)、管網公司、城鎮(zhèn)燃氣企業(yè)加大投入，牽頭組建天然氣摻氫產業(yè)創(chuàng)新聯盟，吸引產業(yè)鏈企業(yè)、科研院所、高校、行業(yè)協會等相關利益主體廣泛參與；建設跨行業(yè)溝通共享平臺與合作機制，保障天然氣摻氫產業(yè)規(guī)?；l(fā)展。

編輯：風氫揚 校對：氫氫我心 審核：氫云小仙女

來源：氫云鏈

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