在碳达峰和碳中和目标的指引下，氢能发展虽然进入了快车道，但仍受到氢运输规模小、成本高的制约。利用天然气管网输送氢气具有资金投入少、氢气输送距离长、氢气输送量可调等优点，是一种经济高效的运输方式，潜力巨大。受到欧美主要国家的普遍关注。
我国应密切关注该领域的最新动态和突破，尽早部署相关技术装备研发，积极探索天然气管网氢气输送系统解决方案，突破输送瓶颈。
天然气管网输氢技术探索
氢能是一种清洁的二次能源，可以实现能源跨部门、跨时间、跨地域的灵活转移，减少风、光、水的浪费，在能源转型过程中发挥系统作用，助力能源、交通、行业等行业的深度脱碳。随着各国碳中和目标的出台，减碳的紧迫性骤然增加，氢能产业的发展将进入快车道，在氢能产业链“产、储、运、加、用”五个主要环节中，氢运输规模小、成本高的现状亟待改变。
氢运输规模小、成本高是目前制约氢能发展的“卡脖子”环节。目前，氢气的运输方式主要有长管拖车运输、管道运输和液氢罐车运输三种。
长管拖车运输高压氢气作为我国主流的氢气运输方式，但每辆车的氢气运输量仅为200-300公斤，仅占车辆总重量的1%-2%。长管拖车，运输效率低。200km距离运输氢气的成本高达11元/kg左右，与煤制氢成本相当。随着技术的发展，运输气瓶的成本和长管拖车加氢的时间都会有一定程度的下降，这将带动氢气运输成本的下降，但下降幅度有限；纯氢管道输送虽然成本较低，但初期资金投入大，适用于点对点、短距离、大规模的氢输送，主要用于将氢输送到炼化厂；液氢罐车运输需要液化氢，保持低温，高能耗，适合长途运输，多用于航空航天和军事领域。
天然气管网在氢气输送方面具有诸多优势，是一种理想的经济、高效、规模化的输送方式。其原理是将氢气混入天然气中，然后通过天然气管网输送到目的地，再将氢气分离或直接使用富氢天然气，具有诸多优点。
首先，天然气基础设施的再利用需要较低的初始资本投资，纯氢管道单位投资约600万元/公里，是天然气管道的两倍。据中国氢能联盟测算，到2050年，我国氢需求量将接近6000万吨，如果这些氢气通过纯氢气管道输送（各参数参考济源-洛阳输氢管道），前期投资约1000亿元。利用天然气管网输送氢气，可以解决大型管道建设项目融资难的问题，以相对较小的资金投入实现大规模、低成本的联网输送能力；
其次，天然气管网覆盖范围广，可实现氢气的长距离输送。目前，世界上最长的天然气管道——中俄东线天然气管道工程，总长度超过8000公里，利用天然气管网输送氢气，可以快速实现长距离输送氢气的目标，连接氢气产区和消费区。此外，天然气管网接触终端用户众多，可以连接电站、工业企业、加氢站、居民等用氢部门；
第三，天然气管道允许掺氢比例波动，符合可再生能源发电波动的特点。目前，利用可再生能源电解水制氢是绿色氢的主要来源，天然气管道输氢允许氢气浓度在一定范围内波动，可以将可再生能源的波动性转化为天然气管网输氢的波动性，减轻可再生能源并网压力。
天然气管网输送氢气需要重点解决三个核心问题：一是氢脆泄漏导致氢气泄漏。天然气管道材料以钢材为主，存在氢脆问题。长期暴露在氢气中，钢管的力学性能下降，韧性下降，疲劳裂纹扩展速率增加，氢气向外界扩散的概率增加，可能引起安全问题。钢管强度越高，氢浓度越高，氢脆现象越严重。焊接残余应力和结构不均匀会加速氢扩散，因此管道焊接接头区域发生氢泄漏的风险最高。同时，氢气的扩散系数是甲烷的3.8倍，可以更快地从管壁、密封件和接头处泄漏，造成损失；
其次，从天然气中分离氢气的效率低。变压吸附和膜分离是工业上应用广泛的两种氢气分离纯化技术。变压吸附法分离氢气的原理是利用吸附材料对氢气吸附能力差而对甲烷等气体吸附能力强的特点，选择性地让氢气通过吸附床。气体混合物中的氢浓度越低，气体混合物需要加压的就越多。吸附床需要吸附和解吸的次数越多，氢气分离的效率就越低。膜分离法的工作原理是基于选择性渗透原理，利用膜两侧的压力差作为驱动力，使氢气通过膜并在另一侧富集，混合气中氢气浓度越低，相同压差下的氢气回收率越低；
三是压缩机造价高。氢气分离环节需要配备压缩机，通过提高掺氢天然气的压力来增加氢气回收量，氢气分离完成后，将天然气升压回注天然气管道。据美国能源部估算，压缩机的采购成本是氢分离最重要的成本，约占36%。
主要国家天然气管网氢输运实践
欧盟将自身庞大的天然气基础设施视为发展氢能产业的独特优势。
欧盟20年前开始实施天然气混氢示范项目，将20%的氢气并入天然气分配管道。具有丰富的混氢经验，处于世界领先地位。在全球建设的26个天然气管网加氢示范项目中，有19个位于欧盟。
根据欧盟委员会于2020年7月8日发布的《欧洲氢能战略》，欧盟将为天然气管网中的氢气输送提供资金支持，并更新气体质量标准，以确保天然气管网加氢后仍可在成员国之间使用。
欧盟的天然气管道企业也表现出极大的热情。2020年7月15日，欧盟9国11家天然气管网企业联合发布“欧洲氢能主干管网”倡议，计划到2030年氢气管网总长度达到6800公里，到2040年达到2.3万公里，3/其中4条是改造后的天然气管道。届时，单位氢气运输成本将降至11-21欧分/公斤氢气/公里，平均氢气运输成本约为制氢成本的2%，可满足欧洲每年1130 TWh的能源需求。
美国也将天然气管道输送氢气作为一项重要的战略储备技术。
自1960年以来，美国国家航空航天局、能源部、交通部和美国国家标准与技术研究院一直在资助与氢气管道相关的研发工作，涵盖基础材料科学、管道安全、管道经济学和管网建模。还有氢气市场。近两年，美国能源部加快氢能研究和项目开发，提出H2@Scale计划，并投资1000万美元资助天然气加氢研发示范项目。美国天然气管道公司逐渐表现出浓厚的兴趣，并提出了全国首个天然气加氢计划。2020年11月，南加州天然气公司和圣地亚哥天然气电力公司宣布在天然气配送管网开发氢掺混项目，掺氢比高达20%，并测试氢分离技术。
俄罗斯将天然气管网中的氢气输送作为加强能源出口的重要手段。2020年7月，俄罗斯能源部公布了《氢能战略发展路线图》，提出利用天然气和核电生产氢气，通过天然气管网出口氢气，使氢气成为继天然能源之后的又一重要能源。俄罗斯天然气工业公司（以下简称俄气）正在开展天然气管网掺氢试点项目，计划向欧洲输送含氢高达20%的富氢天然气。俄罗斯天然气工业股份公司还对“北溪二号”管道进行了混氢计划。据介绍，改造后氢气混合比可提高到70%。
我国应尽快部署天然气管网运输氢气
我国天然气管网正处于蓬勃发展阶段，具备混氢的基本条件，但起步较晚。我国天然气管道输送技术成熟，体系框架基本形成。近年来，运输能力显着提升，氢运输潜力巨大。
根据《中国天然气发展报告（2019）》，截至2018年底，我国天然气干线管道总里程达到7.6万公里，管道输送能力达到3200亿立方米/年。如果氢气按10%的比例混合，可形成每年320亿立方米的氢气输送能力，可同时满足7800个1000kg加氢站或114个50MW氢燃料电池发电厂的需求。
2019年以来，国家电投先后启动了辽宁省朝阳市“可再生能源掺氢示范”和河北省张家口市“天然气掺氢关键技术研发及应用示范”两个示范项目，计划直接使用富氢天然气作为燃料用于工业取暖、炉灶和汽车。
建议加快天然气管网氢输运相关工作：一是统筹各方力量和资源，加强科研攻关。加大对天然气加氢研发的财政、税收和资金支持，开发先进的管道焊接材料和焊接工艺，做好焊前预热和焊后热处理，提高天然气管网与氢气的相容性，减少管网氢脆问题，减少氢泄漏的发生。开发天然气管网运行状态监测管理系统，综合评价天然气管网运行过程中氢气的适应性、可靠性和稳定性，及时发现氢气泄漏，监测泄漏情况，第一时间做出反应。创新氢分离工艺设备，开发机械强度好的高性能分离膜材料，提高膜两侧压差上限；综合运用变压吸附技术和高性能膜技术，开发出可高效分离天然气氢气的系统解决方案。加快阀门、压力传感器等压缩机零部件国产化，降低压缩机采购成本；加强压缩机关键技术研发，提升增压、能效等压缩机性能，降低压缩机运行成本。运用全生命周期概念，研究分析天然气管网输送氢气的碳排放，明确减排效果；
二是及时推进试点工作，积累典型示范工程经验。鼓励制氢企业、天然气管道企业和加氢站与氢气用户合作，开展“制氢-掺氢-输送-分离-应用”全产业链试点，积极探索典型制氢方法和氢气应用天然气管网氢气输送组合模式，根据项目实际情况调整科研重点，加快科技创新和成果转化；
三是建立规范和标准，指导项目建设和运营。开展掺氢天然气管道输送及配套工艺技术标准规范研究，建立包括管道建设改造设计与施工、管道安全规范与检测等在内的天然气管道氢输送标准体系，改造自然为企业提供燃气管道和掺氢天然气，为管道安全可靠运行提供技术标准指导。
