丰富的应用场景，天然气氢气有利于氢气的大规模应用。

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最近，英国第一个天然气含氢量为20%的示范项目开始运行。据报道，该项目的第一阶段将通过斯塔福德郡基尔大学拥有的天然气网络进行掺氢，并向100户家庭和30栋教学楼供应天然气。测试成功后，该项目还将在英格兰东北部和西北部的天然气网络中进行更广泛和更大规模的测试。

事实上，吉林省白城市和四川省成都市的氢能产业发展规划中也提到了天然气。天然气混氢一直是国内外氢气输送和大规模利用的重要研究方向，对促进我国氢能产业的发展具有更加重要的意义。

对此，国家能源研究院和绿色能源智库认为:一方面，中国的天然气需求持续上升，2019年对外依存度为44%。氢气替代部分天然气燃烧提供热能和电能，有利于缓解天然气供应压力，提高中国能源安全水平；另一方面，如果能够充分利用现有的8万公里天然气主干管网和西气东输、川气东输等大型氢气输送支线管网，不仅可以实现大规模低成本的氢气输送，而且可以更有效地促进西部可再生能源制氢的发展，为氢气产业提供绿色、低成本的氢气，对实现中国能源结构转型具有重要意义。

天然气掺氢是氢能研究的热点

根据国际能源署的数据，截至2019年初，各国有37个示范项目正在研究天然气网络中的氢掺杂研究项目包括天然气管网掺氢供热的可行性、天然气管网掺氢率对天然气输配关键设备、材料、终端设备和电器的影响、掺氢天然气地下储存的技术和监测要求等。

与此同时，天然气掺氢标准的研究工作也相继推进。在欧洲，技术委员会和行业组织，如HyReady和HIPS-Net正在研究氢掺杂标准，而欧盟委员会也在研究氢在天然气网络和相关标准中的作用。

国家能源研究院和绿色能源智库发现，氢气运输是制约氢能产业发展的薄弱环节，其经济性和安全性有待提高。然而，目前氢能利用主要集中在交通领域，尤其是氢燃料电池汽车及其配套设施，在工业和建筑领域仍缺乏成熟的应用场景和商业模式。天然气管网掺氢是解决上述问题的有效方法，近年来已成为国外研究和测试的热点。

是根据目前在中国示范运营的氢燃料电池客车、客车和物流车辆不到5000辆估算的，年氢消耗量不超过20000吨；到2025年，根据中国氢能联盟预测的5万辆汽车的估计规模，氢的使用量将少于20万吨。根据国际能源署的估计，2018年全球天然气需求将达到3.9万亿立方米，其中3%(体积分数)的氢气将消耗1200万吨氢气。如果氢气主要来自电解槽，电解槽装机容量将达到100千兆瓦，这将使电解槽投资成本降低50%，有效降低低碳氢气的制备成本，而掺氢成本仅略微增加0.3 -0.4美元/千克

天然气仍面临氢掺杂

氢掺杂降低了相同工况下的天然气管网输送能量氢的能量密度很低，大约是天然气的1/3。与氢气保持相同的压力会降低输送气体的能量含量。国际能源署的数据显示，向天然气管道中添加3%的氢气将使管道输送的能量减少约2%，最终用户对天然气的需求将会增加。

天然气管网中氢气的比例受到许多限制。氢气负载上限取决于与之相连的设备。管网越大，设备越多，对氢负荷上限的要求可能越严格。例如，在掺氢后使用天然气作为原料的化工企业可能需要调整工艺和流程现有燃气轮机的控制系统和密封不能适应氢的高比例，氢掺杂比例需要小于5%出于同样的原因，已安装的燃气发动机中氢气的最大浓度为2%

图1天然气价值链

面临的更大挑战来自于安全性以及相应的检测和管理系统的改进

金属材料中。氢对输送管道的影响主要是材料韧性的损失和疲劳裂纹扩展速率的增加，这是影响氢掺杂率的一个重要因素。此外，氢气的加入会降低点火能量，加快泄漏速度，增加可燃范围，氢气加入比例的增加会相应增加泄漏和爆炸的风险。测试方法和设备需要改进，现有管道完整性管理也需要调整，以适应氢掺杂的影响。

由于诸多挑战，天然气掺氢标准在包括中国在内的许多国家仍是空白。欧洲国家更积极地推进，也很谨慎。大多数国家和地区将氢负载率设定在不超过2%，而少数国家和地区将氢负载率设定在4%到6%之间。尽管德国规定上限为10%，但如果压缩天然气加气站接入网络，该比例将大幅降至2%以下一些相关设备的规格也有限制。欧洲标准规定，由燃气轮机供应的天然气的氢含量必须低于1%

图2某些国家和地区允许的最大氢添加比例

*如果没有压缩天然气加气站接入网络，德国将适用更高的限制；荷兰的上限适用于高热量气体；当管道压力大于16巴时，立陶宛适用更高的限制

天然气主管道输氢取

主干网可以实现天然气的长距离大规模输送，这与我国可再生能源的分布和输送方向高度一致。通过天然气主干网输送氢气在许多方面都具有重要意义，但目前尚不具备条件。

中国缺乏这方面的研究在“十一五”、“十二五”和“十三五”涉及氢的重点项目以及2019年科技部“可再生能源和氢能技术”重点项目中列出的9个与氢相关的项目中，没有关于天然气中氢掺杂的研究。

主管网输送压力较高，我国西气东输三线输送压力高达12兆帕，在较高压力下，氢气对管道材料的影响较大。然而，不同的天然气成分、不同的管道材料和不同的管道工况都导致氢气对管网材料的影响程度不同。国际研究成果不应直接照搬，掺氢天然气主管网的安全掺氢比标准尚未确定。基础研究工作，如管道材料与掺氢天然气的相容性试验、掺氢天然气的泄漏以及燃烧和爆炸问题，都需要坚定不移地开展。

此外，如果需要在最终使用场所分离氢气，将氢气混合到天然气中进行运输将会增加成本(在当前的最终使用方法中需要这种操作)。以变压吸附为例，根据混合水平和最终用途要求，一些研究数据显示其成本在3美元至6美元/千克之间。

国家能源研究院和绿色能源智库认为，虽然还有很长的路要走，但在“十四五”期间，中国天然气管网建设仍有相当大的空间。新主管道网络的设计应尽可能考虑未来运输掺氢天然气的需求，以提高未来掺氢运输的可行性。在管材的选择上，应加强氢脆防护，加强管道损伤和裂纹的检测和处理。对管道焊缝应提出更高的要求，使其具有更强的抗氢脆保护。

图3中国天然气主干管网年总里程掺氢天然气混燃应率先推广

在天然气终端消费分类中，城市气和工业气占70%以上，并呈快速上升趋势，为掺氢天然气直接混合燃烧创造了有利条件

图4中国各领域天然气消费分类

天然气分配管道通常以低于1MPa的低压输送至终端设备。一些研究发现，氢对中国配电网造成损害的风险较低，氢掺杂的可行性较高。

天然气输配管网规模更灵活，运输形式更多样化，局部掺氢可行性高，便于分阶段测试，便于安全管理和风险控制。

和终端设备对掺氢天然气中的氢体积分数也有较高的接受度。将掺氢比例控制在23%可以使炊具正常工作，而在荷兰的阿梅兰德项目中掺入30%的氢气对家用设备没有任何影响，包括锅炉、煤气炉和炊具。

2年9月019日，作为我国第一个电解混合天然气制氢项目，国家电力投资集团公司朝阳可再生能源氢气示范项目一期工程顺利完成。该项目采用货柜车运输高压氢气瓶，在用单位通过掺氢设施实现天然气掺氢示范燃烧。验证了电力制氢、氢气流量跟踪定比掺混、天然气管道材料与氢气相容性分析、掺氢天然气多元化应用等技术的成熟性、可靠性和稳定性。

也为天然气氢燃料在交通领域的推广提供了良好的条件。根据中石化的数据，2019年上半年液化天然气重型卡车销量同比增长3.1倍，累计销量为8.5万辆。到2020年，天然气汽车的数量预计将超过700万辆研究表明，天然气中掺有20%的氢气，天然气汽车和加气设施变化不大，发动机热效率可提高15%，经济性可提高8%，污染物排放可减少60%~80%据悉，四川省将推出天然气掺氢汽车示范，以促进氢能产业的快速发展。

国家能源研究院和绿色能源智库认为，天然气掺氢仍然是有效运输和利用氢气的重要途径。现阶段，中国应注重研究和试验，提高多元化利用水平，在条件允许的地区率先示范应用天然气掺氢，这有利于促进氢能的大规模吸收和氢能产业的健康发展。