文/仲冰张学秀张博彭苏萍，中国矿业大学（北京）管理学院煤炭资源与安全开采国家重点实验室，中国工程科学
一、前言
氢能作为清洁、高效、应用场景多元的能量载体，是连接传统化石能源与可再生能源的桥梁，成为当前能源产业发展的重要领域。发展氢能，可以有效优化能源结构，降低传统化石能源的消费量，促进能源结构转型升级；将有效减少碳排放并降低环境污染，支持实现碳达峰、碳中和目标。以氢能为要素之一，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，是落实能源安全新战略、推进能源革命的重要依托，对于新时期能源转型发展具有重要意义。
氢能产业分为上游制氢、中游储运、下游应用，涉及制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节，具有链条长、关联度强、辐射广等特点。目前，我国氢能产业链的上游、下游分布存在严重的空间不均衡情况，因而大规模集中制氢、长距离输氢将是氢能产业发展的关键环节；在制氢成本持续走低的前景下，氢能的储运效率成为制约氢能产业规模化发展的瓶颈环节。适用于大规模氢能运输的技术方案主要有集装管束运输、管道运输、液氢槽车运输等，其中管道运输具有运量大、距离长、能耗少、成本低等优势，也是相对经济且低碳的方式。目前，世界氢气管道总里程超过km，发达国家的氢气长输管道建设及输氢技术较为成熟。在我国，纯氢管道建设进展缓慢（总里程约为km），管道输氢技术体系仍在发展完善过程中，不能满足大规模氢能应用的实际需求；纯氢管道的初始投资大、建设周期长，很难在短期内形成与氢能发展需求相匹配的输运规模。
值得指出的是，近年来我国天然气管网基本建成，实现了天然气干线管道的互联互通；若在天然气中掺入一定比例的氢气以组成掺氢天然气，通过天然气管网将掺氢天然气输送至终端用户，随后或者直接利用、或者提氢后分别单独使用，将大幅提升氢能的时空调配规模与效率，实质性推动我国氢能产业快速发展。也要注意到，天然气掺氢产业发展尚处于技术研发与应用示范的起步阶段，技术体系的成熟度、掺氢天然气的使用效能及潜在影响均具有相当的不确定性。为此，本文基于天然气掺氢产业链构成，探讨天然气掺氢产业对我国能源行业高质量发展的价值，梳理天然气掺氢产业的国际进展、国内现状、关键问题，进而提出培育天然气掺氢产业的发展建议，以期为相关领域高质量发展研究提供基础参考。
二、天然气掺氢产业链范畴
《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》（年）要求统筹推进氢能“储输用”全链条发展。天然气掺氢产业作为氢能“储输”的重要依托，需要从上游制氢到下游掺氢天然气终端利用等全产业链各环节的技术支撑。
制氢技术路线主要有化石燃料重整制氢（如煤制氢、天然气制氢）、工业副产氢（如焦炉煤气副产氢、氯碱工业副产氢）、清洁能源电解水制氢、其他制氢新技术（如太阳能光解水制氢、生物质制氢。我国是世界最大的制氢国，制氢产量约为万t/a；煤制氢作为我国现阶段的主要方案，技术成熟度高且成本相对低，但碳排放量大、环境污染问题不容忽视。未来随着风能、太阳能等新能源发电成本的降低，“可再生能源+电解水制氢”将降低碳排放强度，成为大规模制氢的优选方案。
天然气掺氢产业链的中游环节包括混氢、掺氢天然气储运，按照应用场景可分为向天然气长输管道、城市燃气管网掺混一定比例氢气来分别实现天然气掺氢输送。天然气、氢气均为清洁能源气体，天然气储运基础设施、关键设备对氢气均有一定的适应性；但天然气与氢气在能量密度、爆炸极限、扩散系数等特性方面又有明显差别，使得天然气掺氢输送对管材的适应性有特定要求，也会对压缩机、调压器、储气库、储罐、阀门等关键设备性能产生潜在影响。已有研究表明，利用天然气管网输送低掺氢比天然气，原有管网的适应性较好；输送高掺氢比天然气，则需要更新（或改造）原有管材及设备，升级安全防控与应急技术体系。
天然气掺氢产业链的下游环节主要是终端多元应用生态。居民用户、商业用户、工业用户等终端用户，既可直接使用掺氢天然气，也可将掺氢天然气进行提氢分离后再分别使用。例如，建筑领域可将掺氢天然气应用于燃气灶、燃气热水器、燃气壁挂炉、小型锅炉等；工业领域可将掺氢天然气应用于工业锅炉、燃气轮机、燃气内燃机、工业窑炉、工业燃烧器等。掺氢天然气在交通领域也有良好的应用前景，如使用掺氢天然气燃料可有效提高天然气发动机的热效率并降低污染物排放。
三、发展天然气掺氢产业的重要价值
（一）突破氢能产业规模化发展瓶颈
当前，氢能储运成本约占到“制储输用”全产业链总成本的30%~40%，在我国氢能储运基础设施发展薄弱的条件下，氢能产业发展遭遇“卡脖子”环节。按照氢能输送状态的不同，运输方式分为气态、液态、固态3类；气氢输送以长管拖车、纯氢管道输送、天然气管道掺氢输送为主，液氢输送以液氢罐车、专用液氢驳船、液氢管道为主。一般认为，长管拖车在运输距离小于km时具有成本优势；液氢远距离输送优势明显，但在现有技术条件下液化系统能耗高且初始投资大。
相较而言，纯氢管道输送、天然气管道掺氢输送都能够实现氢能的远距离、大规模、低能耗运输，但我国的纯氢管道规划与建设刚刚起步，形成大规模输氢能力必然需要较长的周期。我国天然气管网总里程约为11万km，“全国一张网”已基本建成，年总里程将达到16.3万km，这就为发展天然气掺氢产业提供了坚实的基础条件。可以认为，以掺氢天然气的形式开展氢能储运与利用，将是快速突破氢能产业规模化发展瓶颈的主要方式。
（二）解决可再生能源消纳问题
我国西部地区风能、太阳能资源丰富，而区域经济发展不均衡使得西部地区难以实现可再生能源的就地消纳；可再生能源发电面临间歇性、波动性、随机性、调峰难等问题，导致弃风、弃光现象严重。因此，利用可再生能源制储氢，将促进可再生能源的时空高效调配，提高可再生能源的消纳利用水平。我国可再生能源发电装机规模超过10亿kW（年），叠加未来继续增长的装机量，为绿氢供给创造了极大空间。随着可再生能源制氢技术的完善提升以及综合成本的降低，积极发展天然气掺氢产业能够规模化利用可再生能源制取的绿氢，有效解决可再生能源的就地消纳问题；这又将引导风能、太阳能等资源的全面开发，从而进一步提高可再生能源在能源生产结构中的渗透率。
（三）通过“氢进万家”来缓解天然气供应压力
年，我国能源消费总量为52.4亿tce，其中天然气表观消费量为亿m3（同比增长12.7%）；结合天然气产量（亿m3，同比增长7.8%）来看，我国天然气供需存在明显缺口。在碳达峰、碳中和目标下，天然气作为清洁低碳的终端能源类型，能够与可再生能源发展形成良性互补的供能格局；年，我国天然气年消费量将达到亿~亿m3，年产量在亿m3左右，供应压力进一步加大。掺氢天然气能够利用氢气替代一部分天然气消费，若按掺氢比（体积比）10%~20%测算，同等热值下，预计每年可替代亿~亿m3，将在一定程度上缓解天然气的供应紧张问题。掺氢天然气的多元化终端应用，将促进氢能生产与终端用能双向协同，在参与保障天然气供应安全的同时，实现“氢进万家”。
（四）实现终端用能领域深度减碳
掺氢天然气作为清洁低碳燃料，通过建成的天然气管网输送至工业、建筑、交通等难脱碳领域的终端用能设备，将降低终端用能的碳排放水平。荷兰7年开展的天然气掺氢示范项目表明，天然气掺氢后能使燃烧产生的碳氧化物、氮氧化物排放量大幅降低。在建筑领域，利用掺氢天然气供暖是实现建筑领域能源消费低碳转型最有潜力的发展方向。在交通领域，掺氢天然气可提高天然气内燃机的热效率并减少排气损失，降低车辆尾气中的甲烷排放量。基于现有技术，将低于一定比例的氢气掺入天然气管网，无需改造升级现有的天然气管网设施，因此发展天然气掺氢产业在有效提高天然气管网整体调峰能力的同时，支持实现终端用能的深度脱碳。
（五）带动氢能全产业链科技创新
发展天然气掺氢产业需要可再生能源制氢、储氢、混氢、输氢、提氢、用氢等全产业链技术的综合发展。与领域先行国家相比，我国天然气掺氢产业起步较晚，掺氢天然气全产业链示范项目稀少，缺乏全面的技术体系和成熟的工程实践。着眼经济社会的实际需求，发展天然气管道掺氢技术，必将带动从能源生产端到消费端在内的全产业链科技创新，进而提升我国能源领域高端装备制造技术水平，催生能源产业转型升级新动力。如前所述，若按掺氢比（体积比）10%~20%测算，预计年有万~万t氢气掺入天然气管网；按照“制储输用”全生命周期成本（30元/kg）计算，全产业链产值将达~1亿元/年。
四、天然气掺氢产业发展态势
（一）国际天然气掺氢产业现状
天然气管网掺氢输送技术理念在年即已提出。随着可再生能源发电装机容量的快速增长、燃料电池技术的迭代升级，相关产业的发展受到更多
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