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氫能作為一種清潔、高效、應用場景豐富的能源載體，是連接傳統化石能源和可再生能源的橋梁，成為當前能源產業發展的重要領域。氫能的發展可以有效改善能源結構，減少傳統化石能源的消耗，促進能源結構的轉型升級，有效減少碳排放和環境污染，實現“碳達峰”和“碳中和”的目標。建立低碳、安全、高效的現代能源體系是實施能源安全戰略、促進能源革命的重要依托，對新時期能源轉型發展具有重要意義。
氫能產業分為上游制氫、中游儲運、下游應用，涉及制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等環節，具有鏈條長、關聯度強、輻射廣的特點。目前，我國氫能產業鏈上下游分布空間嚴重不均衡，大規模集中制氫和長距離輸氫將是氫能產業發展的重要環節；在制氫成本持續下降的前景下，氫能儲運效率已成為制約氫能產業化發展的瓶頸環節。適用于大規模氫能運輸的技術規范主要包括集裝管束運輸、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、能耗低、成本低等優點，也是一種相對經濟低碳的方式。目前，全球氫氣管道總里程超過4600km，發達國家氫氣長輸管道建設和輸氫技術較為完善。我國純氫管道建設進展緩慢(總里程約100km），管道輸氫技術體系仍在發展和完善中，不能滿足大規模氫能應用的實際需求；純氫管道初始投資大，施工周期長，短期內難以產生與氫能發展需求相匹配的運輸規模。
值得指出的是，近年來我國天然氣管網基本建成，完成了天然氣干線管道的互聯互通；如果在天然氣中加入一定比例的氫氣形成摻氫天然氣，摻氫天然氣將根據天然氣管網運輸給終端用戶，然后直接使用或提氫后單獨使用，將大大提高氫能的時空調配規模和效率，實質性促進我國氫能產業的快速發展。還需要注意的是，天然氣摻氫產業的發展還處于技術研發和應用示范的初級階段，技術體系的成熟度、摻氫天然氣的使用效率和潛在影響都非常不確定。因此，本文基于天然氣摻氫產業鏈的組成，探討了天然氣摻氫產業對我國能源產業高質量發展的價值，梳理了天然氣摻氫產業的國際進展、國內現狀和關鍵問題，提出了培育天然氣摻氫產業的發展建議，為相關領域的高質量發展提供基本參考。
天然氣摻氫產業鏈范疇
《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》（2021年）規定，要全面推進氫能"儲輸用"全鏈條發展。天然氣摻氫產業作為氫能"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鏈各環節的技術支撐。
制氫技術路線主要包括化石燃料重整制氫(如煤制氫、天然氣制氫)、工業副產氫(如焦爐煤氣副產氫、氯堿工業副產氫)、清潔能源電解水制氫、其他新制氫技術(如太陽能光解水制氫、生物質制氫等)。中國是世界上最大的制氫國，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，成本相對較低，但碳排放量大，環境污染問題不容忽視。未來，隨著風能、太陽能等新能源發電成本的降低，"可再生資源+電解水制氫"將降低碳排放強度，成為大規模制氫的優選方案。
天然氣摻氫產業鏈中游環節包括混氫、摻氫天然氣儲運。根據應用場景，可分為天然氣長輸管道、城市燃氣管網中摻混一定比例的氫氣分別實現天然氣摻氫輸送。天然氣和氫氣是清潔能源氣體。天然氣儲運基礎設施和關鍵設備對氫氣有一定的適應性；然而，天然氣和氫氣在能量密度、爆炸極限和擴散系數方面存在明顯差異，使得天然氣摻氫輸送對管道適應性有特定要求，也對壓縮機、調壓器、儲氣庫、儲罐、閥門等關鍵設備的性能產生了潛在的影響。研究表明，利用天然氣管網輸送低摻氫比天然氣，原有管網適應性好；輸送高摻氫比天然氣，需要更新（或改造）原有管材及設備，升級安全防控和應急技術體系。
天然氣摻氫產業鏈的下游環節主要是終端多元應用生態。居民用戶、商業用戶、工業用戶等終端用戶不僅可以直接使用摻氫天然氣，還可以將摻氫天然氣進行提氫分離后再分別使用。例如，在建筑領域，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；在工業領域，摻氫天然氣可應用于工業鍋爐、燃氣輪機、燃氣內燃機、工業窯爐、工業燃燒器等。摻氫天然氣在交通領域也有很好的應用前景。例如，摻氫天然氣燃料的應用可以有效提高天然氣發動機的熱效率，并減少污染物的排放。
發展天然氣摻氫產業的重要價值
（一）突破氫能產業規模化發展瓶頸
目前氫能儲運成本約占"制儲輸用"全產業鏈總成本的30%~40%，在我國氫能儲運基礎設施發展薄弱的情況下，氫能產業的發展遭受了"卡脖子"環節。根據氫能輸送情況的不同，運輸方式分為氣態、液態、固態三類；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，長管拖車運輸距離小于200km具有成本優勢；液氫遠距離輸送優勢明顯，但在現有技術條件下，液化系統能耗高且初始投資大。
相對而言，純氫管道輸送、天然氣管道的摻氫輸送都可以實現氫能的遠距離、大規模、低能耗運輸，但我國純氫管道規劃與建設剛剛起步，形成大規模輸氫能力必須需要一個漫長的周期。我國天然氣管網總里程約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，這為天然氣摻氫行業的發展帶來了堅實的基礎條件。可以認為，以摻氫天然氣的形式開展氫能儲運與利用將是迅速突破氫能產業規模化瓶頸的主要途徑。
(二)解決可再生能源消納問題
中國西部地區風力、太陽能資源豐富，區域經濟發展不平衡使得西部地區難以實現可再生能源的就地消納；可再生能源發電面臨間歇性、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。我國可再生能源發電裝機規模超過10億kW（2021年），加上未來裝機量的持續增長，為綠氫供給提供了巨大的空間。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，積極發展天然氣摻氫產業能夠規模化利用可再生能源制取的綠氫，有效解決可再生能源就地消納問題；這將引導風能、太陽能等資源的全面開發，進一步提高可再生能源在能源生產結構中的滲透率。
（三）根據"氫進萬家"緩解天然氣供應壓力
2021年，我國能源消費總量為52.4億tce，天然氣表觀消費量為3726億m3（同比增加12.7%）；結合天然氣產量（2076億m3，同比增加7.8%)來看，中國天然氣供需存在明顯缺口。在碳達峰、碳中和的目標下，天然氣作為清潔低碳的終端能源類型，可以與可再生能源的發展產生良好的互補供能格局；2030年，中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）完成終端用能領域深度脫碳
摻氫天然氣作為清潔低碳燃料，根據建成的天然氣管網輸送至工業、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，天然氣摻氫后燃燒產生的碳氧化物、氮氧化物的排放量大大降低。在建筑領域，使用摻氫天然氣供暖是實現建筑領域能源消費低碳轉型最具潛力的發展方向。在交通領域，摻氫天然氣可以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，因此發展天然氣摻氫產業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）推動氫能全產業鏈科技創新
天然氣摻氫產業的發展必須可再生能源制氫、儲氫、混氫、輸氫、提氫、用氫等全產業鏈技術的綜合發展。與領域先行國家相比，我國天然氣摻氫產業起步較晚，摻氫天然氣全產業鏈示范項目稀缺，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要，發展天然氣管道摻氫技術，必將帶動從能源生產端到消費端的全產業鏈科技創新，進而提升我國能源領域高端裝備制造的技術水平，催生能源產業轉型升級的新動力。如前所述，如果按摻氫比(體積比)10%~20%測算，預估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，全產業鏈產值將達到800~1800億元/年。
天然氣摻氫產業發展態勢
（一）國際天然氣摻氫產業現狀
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，相關產業的發展受到了更多的關注。歐盟、德國、法國、美國等發達國家和地區都發布了氫能戰略，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、促進氫能經濟發展的重要措施（見表1）。在標準方面，氫氣長輸管道技術在國際上已經成熟，相應的設計標準規范研究相對全面，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構成了比較完善的標準體系，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技術標準體系仍需研究制定。
在示范項目方面，許多中國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的建設，測試了不同比例摻氫天然氣對管網基礎設施和終端設備的影響；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項目與15家天然氣企業合作，對天然氣管道摻氫的潛在影響進行了研究，認為天然氣管道中摻氫20%不會顯著增加爆炸等安全隱患。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年平均摻氫比例達到12%。2014年，法國GRHYD項目探索將風電制氫按不高于20%的比例注入天然氣管網供居民使用，根據加氣站為天然氣動力客車提供摻氫比為6%~20%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，目前摻氫比已提高到10%。2019年，英國公司將20%的氫氣注入園區天然氣管網，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%的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節，在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現狀
目前，中國是世界上最大的制氫國，可再生能源裝機量保持領先，未來可再生能源制氫發展前景廣闊；基本建立了互聯互通的天然氣主干網，初步掌握了氫能"制儲輸用"產業鏈的主要技術和生產工藝，天然氣摻氫產業發展的基礎條件良好。
《"十四五"能源領域科技創新規劃》、《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》、《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》密集發布，對摻氫天然氣管道及輸送關鍵設備的安全可靠性、經濟性、適應性和完整性進行了評價，探索了輸氣管道摻氫輸送等高效輸氫方式，對摻氫天然氣管道進行了試點示范，逐步構建了低成本、多元化的氫能儲運體系。然而，天然氣摻氫產業仍處于起步階段，尚未出臺國家層面的發展規劃。部分省份發布了地方氫能產業規劃，將天然氣摻氫技術作為氫能儲運及終端應用領域的突破點（見表2）。
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。其他在建或規劃的示范性項目有12個。
發展天然氣摻氫產業面臨的關鍵問題
天然氣管道摻氫輸送是一個復雜的系統工程，即要考慮技術可行性，還受安全性、經濟性的制約。雖然包括中國在內的許多中國都在大力開展天然氣管道摻氫輸送的示范應用，但在大規模應用推廣之前，需要系統地解決以下關鍵問題。
(一)摻氫比例問題
天然氣摻氫后，會影響天然氣管網的基礎設施及終端用能設備。摻氫天然氣中的氫氣含量不同，對產業鏈不同環節、不同設備的影響也存在差異。不同國家對摻氫比例的上限有不同的規定；但在我國，不同氫氣含量對輸氣、用氣設施設備產生的影響尚不明確，示范項目也沒有統一的標準。要大力發展天然氣摻氫產業，需要率先討論和明確適合我國實際發展的摻氫比例。充分考慮管材、設備和工藝的適應性，確定氫氣含量閾值，保證天然氣摻氫輸送的安全，平衡相應的技術經濟可行性。
（二）管材和終端設備的適應性問題
目前，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用戶工藝流程是基于天然氣設計的，商業、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境中，發生氫脆、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
與天然氣的主要成分甲烷相比，氫氣的爆炸極限范圍更大，在高壓下滲漏速率更快，更容易發生泄漏和自燃現象，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，天然氣摻氫將降低氣體的熱值、華白數等參數，加快火焰燃燒速率，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律及安全風險管控，是發展天然氣摻氫產業需重點關注的問題。
(四)經濟性問題
天然氣管道摻氫輸送可以在短時間內以相對較少的資金投入實現氫能的長距離、大規模、網絡化運輸，有利于氫能產地與消費地的有效連接。還需要注意的是，相同體積氫氣的熱值僅為天然氣的1/3。假設天然氣摻氫后能給終端提供相同的熱值，理論上氫氣價格應為天然氣價格的1/3；根據天然氣門站的價格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鏈發展的視角看，目前天然氣摻氫項目的商業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生態圈與商業模式，從而促進制氫企業、管網企業、終端用戶等相關主體共同動天然氣摻氫產業的穩健發展。
培育天然氣摻氫產業的建議
（一）加強天然氣摻氫產業的頂層設計和戰略研究
天然氣摻氫產業發展關系到氫能產業高質量發展、天然氣工業轉型發展，應加強天然氣摻氫產業的頂層設計和宏觀研究，深入剖析天然氣摻氫產業發展的技術路線與重點任務，覆蓋基礎研究、裝備研發、技術實證、應用研究、規范標準、性能測試、商業模式創新、教育推廣等方面。完善天然氣摻氫產業管理模式，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鏈的財政、金融支持力度。
（二）構建天然氣摻氫產業安全監管、技術與運營管理標準體系
高標準開展天然氣摻氫產業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安全監管平臺；加強管理部門之間的溝通協作，可延續天然氣行業的管理模式，明確天然氣摻氫產業各環節的監管部門及其責任義務。在當前天然氣管網監管框架的基礎上，完善天然氣摻氫工程建設的監管審批流程。梳理天然氣摻氫產業標準化工作重點，保持摻氫天然氣與氫能、天然氣、城鎮燃氣標準的協調發展；加快天然氣摻氫產業的國家、行業標準體系建設，推動天然氣摻氫產業的規范有序發展，支持管理部門開展監管工作。
（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 年研發與應用重大需求，設立國家級科技發展支持項目；加強國家級、地方性研發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。遴選行業骨干企業、優勢高校與科研院所，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，鼓勵天然氣摻氫領域國際合作與技術交流，形成國際化的產業創新機制和模式。
（四）組建天然氣摻氫產業創新聯盟
把握未來 10 年天然氣摻氫產業發展的重要機遇期，建議以政府引導、企業主導、多方參與、利益共享為原則，協調產業鏈相關企業積極投入并破除行業壁壘，建設 " 制氫 混氫 儲運 提氫 用氫 " 一體化的產業鏈；探索形成摻氫天然氣多元化應用場景和商業模式，培育健康可持續的天然氣摻氫產業生態圈，共同拓展天然氣摻氫產業發展新格局。鼓勵油氣企業、管網公司、城鎮燃氣企業加大投入，牽頭組建天然氣摻氫產業創新聯盟，吸引產業鏈企業、科研院所、高校、行業協會等相關利益主體廣泛參與；建設跨行業溝通共享平臺與合作機制，保障天然氣摻氫產業規模化發展。
