氢能氢能管道建设及输氢技术较为成熟的技术方案

一、前言

氢能作为清洁、高效、应用场景多样的能源载体，是连接传统化石能源和可再生能源的桥梁，已成为当前能源产业发展的重要领域。发展氢能可有效优化能源结构，降低传统化石能源消耗，促进能源结构转型升级；有效减少碳排放，减少环境污染，支持实现碳达峰和碳中和目标。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，是实施新能源安全战略、推进能源革命的重要基础，

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。具有链条长、相关性强、辐射面广等特点。目前，我国氢能产业链上下游分布存在严重的空间失衡，大规模集中制氢和远距离输氢将是氢能产业发展的关键环节；在制氢成本持续降低的前景下，氢能的储运效率已经成为制约氢能产业规模化发展的瓶颈。适合大规模氢能运输的技术方案主要有集装箱管束运输、管道运输、液氢罐车运输等，其中管道运输具有运输量大、距离远、能耗低、成本低等优点。 ，也比较经济。和低碳的方式。目前，全球氢气管道总里程超过4600公里，发达国家的长距离氢气管道建设和氢气输送技术相对成熟。在我的国家，纯氢管道建设进展缓慢（总里程约100公里），管道氢输运技术体系仍在发展完善中，不能满足氢能规模化应用的实际需求；纯氢管道初期投资大，建设周期长，难以在短时间内形成与氢能发展需求相匹配的运输规模。

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；如果将一定比例的氢气混入天然气中形成氢气混合天然气，氢气混合天然气将通过天然气管网输送至终端。用户无论是直接提氢还是单独提氢后，都将大大提高氢能在时空上的分配规模和效率，实质性推动我国氢能产业的快速发展。还需要注意的是，氢混天然气产业的发展还处于技术研发和应用示范的初级阶段，以及技术体系的成熟度、氢混天然气的利用效率和潜在影响都存在不确定性。因此，本文基于天然气加氢产业链的构成，探讨了天然气加氢产业对我国能源产业高质量发展的价值，梳理了国际进展、国内现状和重点提出了天然气加氢产业的问题，然后提出了培育天然气加氢产业的途径。发展建议，为相关领域高质量发展研究提供基础参考。本文基于天然气加氢产业链的构成，探讨了天然气加氢产业对我国能源产业高质量发展的价值，梳理了天然气加氢产业的国际进展、国内现状和关键问题。天然气加氢产业，然后提出培育天然气加氢产业的途径。发展建议，为相关领域高质量发展研究提供基础参考。本文基于天然气加氢产业链的构成，探讨了天然气加氢产业对我国能源产业高质量发展的价值，梳理了天然气加氢产业的国际进展、国内现状和关键问题。天然气加氢产业，然后提出培育天然气加氢产业的途径。发展建议，为相关领域高质量发展研究提供基础参考。进而提出培育天然气掺氢产业的途径。发展建议，为相关领域高质量发展研究提供基础参考。进而提出培育天然气掺氢产业的途径。发展建议，为相关领域高质量发展研究提供基础参考。

二、天然气加氢产业链范围

《中共中央、国务院关于全面准确全面贯彻新发展理念做好达峰和碳中和工作的意见》（2021）要求全链条统筹发展氢能“储、运、用”。天然气加氢产业作为氢能“储运”的重要支撑，需要从上游制氢到下游氢气混合天然气终端利用的全产业链各个环节的技术支持。

制氢技术路线主要包括化石燃料重整制氢（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（如太阳能水分解制氢、生物质制氢。我国是世界上最大的制氢国，产氢量约3300万吨/ a;煤制氢是我国现阶段的主要方案，技术高度成熟，成本相对较低，但碳排放量大，环境污染问题不容忽视。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，成为规模化制氢的首选方案。

天然气掺氢产业链的中游环节包括掺氢和掺氢天然气储运。根据应用场景，可分为天然气长输管道和城市燃气管网，通过混合一定比例的氢气，分别实现天然气的氢气混合输送。天然气和氢气都是清洁能源气体，天然气储运基础设施和关键设备对氢气有一定的适应性；氢气输送对管道的适应性有特定的要求，对压缩机、调压器、储气罐、储罐、阀门等关键设备的性能也有潜在的影响。已有研究表明，利用天然气管网输送含氢率低的天然气，对原有管网具有较好的适应性；运输含氢率高的天然气，需要对原有管道和设备进行更新（或改造），提升安全防控水平。和应急技术系统。

天然气加氢产业链的下游环节主要是终端多应用生态。住宅用户、商业用户、工业用户等终端用户既可以直接使用氢混合天然气，也可以将氢混合天然气单独提氢后单独使用。例如，在建筑领域，加氢天然气可用于燃气灶、燃气热水器、燃气壁挂炉、小型锅炉等；在工业领域，掺氢天然气可用于工业锅炉、燃气轮机、燃气内燃机、工业窑炉、工业燃烧器等。加氢天然气在交通运输领域也具有良好的应用前景。例如，

三、发​​展天然气加氢产业的重要价值

（一）突破氢能产业规模化发展瓶颈

目前，氢能储运成本约占“产储运”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情况下，氢能产业发展遭遇“卡脖子”“段。根据氢能运输的不同状态，将运输方式分为三类：气态、液态、固态；气氢运输主要有长管拖车、纯氢管道运输、掺氢天然气管道；以液氢驳船和液氢管道为主。一般认为，长管拖车在运输距离小于200公里时具有成本优势；液氢长距离运输优势明显，但在现有技术条件下，液化系统能耗高，初期投资大。

相比之下，纯氢管道运输和天然气管道混氢运输可以实现氢能的长距离、规模化、低能耗运输。但我国纯氢管道规划建设才刚刚起步，形成规模化的氢气输送能力在所难免。需要更长的时间。我国天然气管网总里程约11万公里，“一个国网”已基本建成。基本情况。可以认为，氢能以掺氢天然气的形式储存、运输和利用将是快速突破氢能产业规模化发展瓶颈的主要途径。

(二）解决可再生能源消耗问题

我国西部地区风能、太阳能资源丰富，区域经济发展不平衡，西部地区难以实现可再生能源就地消纳；弃风弃光现象严重。因此，利用可再生能源生产储氢，将促进可再生能源在时间和空间上的高效部署，提高可再生能源的消费和利用水平。我国可再生能源发电装机容量超过10亿千瓦（2021年），叠加未来将继续增长的装机容量，为绿色氢气供应创造了巨大空间。随着可再生能源制氢技术的提高和综合成本的降低，积极发展天然气掺氢产业，可大规模利用可再生能源生产的绿色氢气，有效解决可再生能源现场消耗问题；引导风能、太阳能等资源综合开发，进一步提高可再生能源在能源生产结构中的渗透率。

（三）“氢气进万户”缓解天然气供应压力

2021年我国能源消费总量52.4亿吨标准煤，其中天然气表观消费量3726亿立方米（同比增长12.7% ); 结合天然气产量（2076亿立方米，同比增长7.8%），我国天然气供需缺口明显。在碳达峰和碳中和目标下，天然气作为清洁低碳的终端能源类型，可与可再生能源发展形成良性互补的能源供应格局；到2030年，我国天然气年消费量将达到5500亿至6000亿立方米，年产量约2500亿立方米，供应压力进一步加大。掺氢天然气可以用氢气代替部分天然气消耗。如果按10%~20%的氢气混合比（体积比）计算，在相同热值下管道天然气的热值，预计每年可替代100亿~200亿立方米，对天然气有一定的缓解作用。供应限制。氢气混合天然气的多元化终端应用，将促进氢能生产与终端能源消费双向协同，在参与保障天然气供应安全的同时，实现“氢进万家”。这将在一定程度上缓解天然气问题。供应限制。氢气混合天然气的多元化终端应用，将促进氢能生产与终端能源消费双向协同，在参与保障天然气供应安全的同时，实现“氢进万家”。这将在一定程度上缓解天然气问题。供应限制。氢气混合天然气的多元化终端应用，将促进氢能生产与终端能源消费双向协同，在参与保障天然气供应安全的同时，实现“氢进万家”。

(四）在终端能源领域实现深度减碳

氢混合天然气作为清洁低碳燃料，将通过已建成的天然气管网输送到工业、建筑、交通等难脱碳领域的终端能源设备，减少能源消耗。终端能源的碳排放水平。2007年在荷兰开展的天然气加氢示范项目表明，天然气与氢气混合后，燃烧产生的碳氧化物和氮氧化物排放量可以大大减少。在建筑领域，利用氢气混合天然气供暖是建筑领域实现能源消费低碳转型最具潜力的发展方向。在交通领域，掺氢天然气可以提高天然气内燃机的热效率，减少排气损失，减少汽车尾气中的甲烷排放。在现有技术的基础上，无需将一定比例以下的氢气混入天然气管网，对现有天然气管网设施进行改造升级。因此，发展天然气加氢产业可以有效提高天然气管网的整体调峰能力，支撑天然气管网的实现。终端能源深度脱碳。无需将一定比例以下的氢气混入天然气管网，对现有天然气管网设施进行改造升级。因此，发展天然气加氢产业可以有效提高天然气管网的整体调峰能力，支撑天然气管网的实现。终端能源深度脱碳。无需将一定比例以下的氢气混入天然气管网，对现有天然气管网设施进行改造升级。因此，发展天然气加氢产业可以有效提高天然气管网的整体调峰能力，支撑天然气管网的实现。终端能源深度脱碳。

(五） 驱动氢能全产业链技术创新

天然气加氢产业的发展需要综合开发制氢、储氢、混氢、输氢、提氢、可再生能源氢利用等全产业链技术。与该领域的先行国家相比，我国天然气加氢产业起步较晚，加氢天然气全产业链示范项目稀缺，缺乏完善的技术体系和成熟的工程实践。着眼经济社会实际需求，天然气管道混氢技术的发展必将带动从能源生产端到消费端的全产业链技术创新，从而提高我国能源领域高端装备制造技术水平，促进能源产业转型升级。力量。如前所述，如果按10%～20%的氢气混合比（体积比）计算，预计2030年将有270万～630万吨氢气混入天然气管网；30元/公斤），整个产业链的产值将达到每年80-1800亿元。2030年将有300万吨氢气混入天然气管网；30元/公斤），整个产业链的产值将达到每年80-1800亿元。2030年将有300万吨氢气混入天然气管网；30元/公斤），整个产业链的产值将达到每年80-1800亿元。

四、天然气掺氢行业发展趋势

(一）国际天然气加氢行业现状

1972年提出天然气管网混氢传输技术的概念，随着可再生能源发电量的快速增长和燃料电池技术的迭代升级，相关产业的发展受到更多关注。欧盟、德国、法国、美国等发达国家和地区均发布了氢能战略。他们认为，天然气管道掺氢运输，将天然气基础设施改造为氢能基础设施，对于打破氢能运输瓶颈、促进氢能经济发展具有重要意义。措施（见表 1）。在标准级别，

表1 主要国家和地区天然气加氢产业发展相关规划

在示范工程层面，多国开展了天然气掺氢可行性研究，建设了天然气管道掺氢示范工程，测试了不同比例的天然气掺氢对管网基础设施和管网建设的影响。终端设备；示范项目的氢气混合比例多为5%~30%，氢源主要是可再生能源制氢。2004 年，欧盟 NaturalHy 项目和 15 家天然气公司对天然气管道中氢气混合的潜在影响进行了研究。2008年，荷兰对风电制氢混入天然气管网的VG2项目进行了研究，明确了混氢比例的上限。2010年平均氢气混合率达到12%。2014年，法国GRHYD项目探索将风电制氢以不超过20%的比例注入天然气管网供居民使用，并提供氢气混合比为6%至20%的天然气通过加油站的天然气动力乘用车百分比。2019年，意大利国家天然气管道公司对天然气管网进行了5%氢气掺混试验，目前氢气掺混比例已提高至10%。2019年，这家英国公司将20%的氢气注入园区天然气管网，研究氢气混合天然气对住宅用户的影响。2020年，澳大利亚启动天然气加氢示范项目，它将基于可再生能源的水电解制氢的10%纳入天然气管网供用户使用。美国HyBlend项目旨在评估天然气管道和运营在长期使用条件下与氢气的相容性，针对天然气管道中氢气混合输送的技术瓶颈。

(二）我国天然气加氢行业现状

目前，我国是世界上最大的制氢国，可再生能源装机容量保持领先，未来可再生能源制氢发展潜力巨大；互联互通的天然气骨干网基本建成，“氢能产储运”初步掌握。利用全产业链的主要技术和生产工艺，天然气加氢产业发展的基础条件良好。

《能源领域“十四五”科技创新规划》、《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》、《中长期规划《氢能产业发展（2021-2035年）》密集发布，要求发展混合氢能源，评估天然气管道和关键运输设备的安全性、可靠性、经济性、适应性和完整性，探索氢能运输等高效运输方式。天然气管道氢气混输，开展天然气管道氢气混输试点示范，逐步构建低成本、多元化的氢气储运体系。然而，天然气加氢产业仍处于起步阶段，尚未出台国家级发展规划。部分省份发布地方氢能产业规划，将天然气加氢技术作为氢能储存、运输和终端应用领域的突破口（见表2）.

表2 部分省份天然气加氢产业规划

全国氢能标准化技术委员会和全国燃料电池与液流电池标准化技术委员会牵头制定和修订了氢能领域的标准。我国已发布的氢能相关国家标准有90多项，但《车用压缩氢天然气混合气》（GB/T 34537-2017））中只有一项涉及技术天然气与氢气的混合。煤基合成天然气”（GB/T 33445-2016）规定一级煤基合成天然气中氢含量（摩尔分数）不得超过3.5%，二类天然气中含氢量不得超过5%。超过5%；"

我国天然气加氢示范项目起步较晚。目前，有两个初步建设：辽宁省朝阳市天然气加氢示范项目。、融合、利用全链验证；山西晋城天然气加氢示范项目，氢源为煤制氢。另有12个示范项目正在建设或规划中。

五、天然气加氢行业发展面临的关键问题

天然气管道输氢是一项复杂的系统工程，不仅需要考虑技术可行性，还受到安全性和经济性的制约。虽然包括我国在内的很多国家都在积极开展天然气管道混氢输送的示范应用，但在大规模推广应用之前，还需要系统解决以下几个关键问题。

(一）氢掺杂比例问题

天然气的氢气混合将对天然气管网基础设施和终端能源设备产生影响。掺氢天然气中的氢含量不同，对产业链不同环节、不同设备的影响也不同。不同国家对氢气混合比例上限的规定不同；在我国，不同含氢量对输气和用气设施设备的影响尚不明确，示范项目也没有统一的标准。大力发展天然气加氢产业，需要率先论证和明确适合我国实际发展的加氢比例。管道的适应性，

(二）管道和终端设备的适应性

目前，投运的天然气管道是以输送天然气为基础设计的，以天然气为原料的工业用户流程是以天然气为基础设计的。天然气与氢气混合后，必须在一定程度上改变管道中原有天然气的气体条件；管体、焊缝、压缩机、流量计、调压器、阀门等都暴露在高压富氢环境中，发生氢气产生脆化、氢腐蚀等氢损伤的风险增加，这将给天然气管道的运行条件、设备性能和安全维护带来很大的变化。对于最终用户，燃气器具、燃气轮机、锅炉等燃烧设备，工业窑炉等燃烧设备由于燃烧性能不同，对掺氢天然气的适应程度也不同。根据特性影响，适时开展氢混天然气、管道和终端设备的适应性分析。

（三）安全问题

与天然气的主要成分甲烷相比，氢气的爆炸极限范围更大，在高压下泄漏速度更快，更容易发生泄漏和自燃。相应地，掺氢天然气的爆炸风险也将扩大。对终端用户而言，天然气与氢气混合后，天然气的热值、华白数等参数会降低管道天然气的热值，火焰燃烧速度加快，导致终端设备热负荷下降并增加使用过程中回火的风险。因此，在天然气中添加氢气不仅会在一定程度上增加天然气长输管道和城市燃气管网运营的安全风险，也对终端用能的安全提出了更高的要求；研究掺氢天然气的泄漏扩散规律及安全性。风险管控是天然气加氢行业发展中需要关注的重点问题。

（四）经济问题

天然气管道氢混输可以在短时间内以相对较少的资金投入实现氢能的长距离、规模化、网络化输送，有利于氢能产区和消费区的高效连接。还需要注意的是，同样体积的氢气的热值仅为天然气的1/3。假设天然气与氢气混合后在终端能提供相同的热值，氢气价格理论上应该是天然气价格的1/3；按照天然气门价1.8元/m3计算，氢气的价格应该是6~7元/kg，这个价格远低于目前制氢成本。从天然气加氢全产业链的发展来看，天然气加氢项目的商业化应用在经济上并不可行。因此，需要探索天然气加氢的多元化应用场景，设计适合国情的天然气加氢产业生态系统和商业模式，促进制氢企业、管网企业、终端用户等相关主体共同促进天然气加氢产业的稳定。开发。设计适合国情的天然气加氢产业生态系统和商业模式，促进制氢企业、管网企业、终端用户等相关主体共同促进天然气加氢产业的稳定。开发。设计适合国情的天然气加氢产业生态系统和商业模式，促进制氢企业、管网企业、终端用户等相关主体共同促进天然气加氢产业的稳定。开发。

六、培育天然气加氢产业的建议

( 一）加强天然气掺氢产业顶层设计和战略研究

天然气掺氢产业的发展，关系到氢能产业的高质量发展和天然气产业的转型发展。加强天然气掺氢产业顶层设计和宏观研究，深入分析天然气掺氢产业发展的技术路线和重点任务，涵盖基础研究、装备研发、技术论证、应用研究、规范标准、性能检测、商业模式创新、教育推广等。 完善天然气加氢行业管理模式，建立加氢天然气推广激励机制，

(二）构建天然气加氢行业安全监管、技术和运营管理标准体系

高标准开展天然气加氢行业安全与应急管理体系建设，探索建立基于信息技术和数字技术的天然气加氢行业安全监管平台；加强管理部门之间的沟通与合作，可以延续天然气行业的管理模式。天然气加氢行业各环节的监管部门及其职责和义务。在现行天然气​​管网监管框架基础上，完善天然气加氢项目建设监管审批程序。梳理天然气掺氢行业标准化工作重点，保持氢混合天然气与氢能、天然气、城市燃气标准协调发展。加快天然气加氢行业国家标准和行业标准体系建设，促进天然气加氢行业规范有序发展。支持管理部门开展监督工作。

(三）加强天然气掺氢“政产学研用”合作

建议在2030年和2060年设立国家级氢混天然气管道运输及氢混天然气终端利用科技发展支持项目，满足研发和应用的重大需求；和设备的本地化支持。选择行业骨干企业、优势高校和科研院所，共建国家级天然气加氢综合试验平台和工程技术中心，集中力量共同开展关键材料、技术、工艺和装备的科技攻关天然气加氢工业。支持高校和科研院所开展高质量的氢能学科建设和人才培养，

(四）组建天然气加氢产业创新联盟

把握未来10年天然气加氢产业发展的重要机遇期，建议按照政府引导、企业引导的原则，协调产业链相关企业的积极投资，打破行业壁垒。引领、多方参与、利益共享，构建“制氢和混合储运”。“提氢加氢”一体化产业链；探索形成氢混合天然气多元化应用场景和商业模式，培育健康可持续的天然气氢混合产业生态系统，共同拓展天然气氢混合产业发展新格局。鼓励油气企业、管网企业、城市燃气企业加大投入，牵头组建天然气加氢产业创新联盟，吸引产业链企业、科研院所、高校、行业协会等相关利益攸关方广泛参与；搭建跨行业交流共享平台和合作机制，保障天然气加氢产业规模化发展。行业协会和其他相关利益相关者广泛参与；搭建跨行业交流共享平台和合作机制，保障天然气加氢产业规模化发展。行业协会和其他相关利益相关者广泛参与；搭建跨行业交流共享平台和合作机制，保障天然气加氢产业规模化发展。