氫氣密度低、易燃易爆的特性導致其成本中的近一半是儲運成本，若要進行商業開發，就需要改進運輸技術。
今（2023）年4月，中國石油天然氣集團（中石油）在寧夏開發了一條397公里長的新管道試點專案。經過六個月的測試，這條旨在輸送混氫天然氣的管道預計將於今年底投入營運。其使用的新技術和材料最大限度地減少了氫氣的損失，並將氫氣占比上限從20%以下提高到24%。
許多中國媒體報導了這種混氫天然氣管道，對氫氣輸送產生革命性影響的潛力，並稱其有可能帶動中國天然氣管網的廣泛升級。這些媒體表示，提高綠色氫氣運輸的成本效益可能是推動廣泛採用綠色氫氣、大幅減少碳排放以及幫助中國在2060年前實現碳中和目標的關鍵舉措。
不過，廣泛利用混合天然氣管道輸送綠色氫氣的道路仍面臨障礙。混合氣中氫氣的成本和這些管道的複雜性是一個關鍵問題。最近的研究也讓人懷疑，與天然氣相比，混合氫氣能在多大程度上真正減少二氧化碳排放。
氫能對中國能源轉型的重要性日益上升
眾所周知，與其他大規模應用的能源相比，氫氣燃燒起來更乾淨，能量密度也更高，能夠在各個領域成為化石燃料的潛在替代品，其中就包括運輸、能源儲存，還有減排難度高的工業，例如鋼鐵產業等。2021年，全球氫氣消費量達到9400萬噸，其中中國所占份額最大——達到了30% ，即2800萬噸。
2022年，中國公佈了到2035年的氫能產業發展藍圖。這份重要文件強調了氫氣作為「戰略新興產業」的地位及其在低碳轉型中的關鍵作用，並且制訂了雄心勃勃的目標。中國的目標是到2025年，燃料電池汽車保有量達到約5萬輛，可再生能源製氫量達到10~20萬噸/年。該規劃估計，實現這些目標每年將減少100~200萬噸二氧化碳排放。
作為化石燃料的乾凈替代品，氫氣有「藍色」和「綠色」兩種生產方式。「藍」氫生產需要使用化石燃料，並利用碳捕捉與儲存（carbon capture and storage，簡稱CCS）技術處理排放。而「綠」氫則是利用可再生能源，通過電解將水分解為氫氣和氧氣。隨著可再生能源和電解槽成本不斷降低，再加上CCS成本高昂，中國越來越將綠氫視為更便宜、更永續的選擇。因此，國家氫能規劃將其擺在了比藍氫更為顯著的位置上。
中國西部省份擁有豐富、便宜的可再生能源，但氫氣需求有很大一部分集中在更發達的東部省份。不幸的是，由於氫氣質輕且易燃，所以長途運輸不僅成本高，而且也很複雜，從而阻礙了其商業化。
混合氫氣的好處
中國的純氫輸送管道建設仍處於早期階段。目前專項輸氫管道總里程僅有400公里，其中有300公里仍處於在建或測試階段。相比之下，美國的總里程達到了大約2600公里，歐洲則達到了約2000公里。
將氫氣與天然氣混合並通過天然氣管道輸送主要有兩個優勢。中、歐研究機構的研究表明，相比貨車運輸等其他運輸方式，混氫天然氣管道運輸是一種更具成本效益，且大規模、長距離的氫能源運輸方式。
考慮到中國綠色氫氣生產中心（西部地區）和主要經濟中心之間（東部地區）的地區錯位，這一方式非常適合中國國情。其次，可以利用中國現有的龐大管線網路。2021年，其天然氣管線網路總里程超過11.6萬公里，位居世界第三，預計2025年將達到16.3萬公里。因此，混氫天然氣管道運輸具有顯著降低綠色氫氣運輸成本、促進其廣泛使用的潛力。
升級現有天然氣管線網路，以適應氫氣的大規模跨省運輸，也可以加強中國的能源安全。根據官方媒體的分析，中國對外天然氣依存度近年來顯著提高，2022年達到了約40%。混氫天然氣管道輸送可以緩解中國的天然氣供應緊張，促進能源自給自足。
前路多艱
不過，在混合天然氣管道輸運氫氣能夠得到更廣泛的利用之前，一些挑戰和不確定性還有待解決。
一大挑戰就是氫氣分子小，能夠穿透固體金屬。這種被稱為「氫脆」的現象會損壞管道，增加爆炸風險。管道內壓力越高（輸送大量氣體時），混氫比例越高，氫脆的可能性就越大。解決這一問題需要在管道建設時使用專門的材料。
中石油在寧夏的這個試點項目，採用的是一條能夠輸送更高混氫比例天然氣的新建管道。在全國範圍內複製此類專案，需要更深入的研究，以及考慮管道壓力和施工等方面的因素，並且用合適的材料升級現有管道，也將產生額外的成本。國外能源專家對混氫的風險持謹慎態度。例如，美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，簡稱NREL）在這個問題上持保守態度，稱對氫脆的瞭解有限，並主張對混氫項目進行個案評估。進行全面的調查和評估，是確保現有管道基礎設施輸氫的適應性和安全性的關鍵。
其次，利用天然氣管道進行混氫天然氣輸運仍然是一項新興技術，因此缺乏對此類管道的標準化規定。各國對混氫比例的上限也有不同的規定。根據國際能源總署2019年的資料，出於安全考慮，許多國家將混氫比例限制在6%以下。值得注意的是，儘管中國有90多個與氫氣生產有關的國家標準，但卻沒有一個對天然氣的混氫上限做出具體規定。隨著天然氣摻氫技術在世界範圍內的發展和逐步採用，迫切需要制定相應的標準來促進和規範其安全應用。
成本可能是限制混氫天然氣市場吸引力的一個因素。雖然從品質角度而言，氫氣是能量密度最高的燃料氣體之一，但由於其密度低，導致其單位體積的能量含量較低。氫氣的熱值是相同體積天然氣的三分之一。因此，當與天然氣混合時，所得混合物每立方公尺的能量可能低於純天然氣，這是推高（混氫）天然氣價格的一個關鍵因素，因為天然氣銷售通常是按體積計量的。
混氫天然氣下游潛在應用的不確定性，是影響其成本的另一個因素。混合氣體既可以提氫分離後利用，也可以直接利用。在燃料電池汽車等需要高純度氫氣的應用場景中，提氫分離至關重要，但它會帶來額外的成本，會影響這些本已昂貴的汽車的競爭力。同時，在許多工業過程中可以直接使用混氫天然氣。這需要開發能夠適應不同混氫比的富氫燃燒設備、工業鍋爐和燃氣輪機。
真減排還是「假」減排？
關於中石油混氫技術取得的突破，一個更根本的問題是，它真的能為減排做出貢獻嗎？圍繞混氫天然氣潛在排放效益的爭論遠未解決。總部位於加州的非營利研究機構電力研究所（Electric Power Research Institute）記錄了一些氫氣混合試點項目的排放效益。例如，在各種測試中，與燃燒純天然氣相比，燃燒25%混氫比的天然氣只能減少約10%的二氧化碳排放。在紐約一家燃氣發電站進行的另一項測試表明，使用混氫比為35%的天然氣時，碳排放量減少了14%。這並不理想。
國際再生能源總署（International Renewable Energy Agency，簡稱IRENA）等組織警告說，不要對天然氣管網輸送混氫天然氣的減排成效持樂觀態度。IRENA說，雖然在不進行大規模基礎設施改造的情況下，將高達20%的氫氣（按體積計）混入天然氣管網在物理上是可行的，但20%混氫比的天然氣實際減排僅為7%，並伴隨著能源成本的大幅增加。事實上，將綠氫整合到天然氣管網中可能導致每噸二氧化碳的減排成本達到500美元以上。根據國際能源署的資料，這一數位是發電和水泥等工業過程碳捕獲成本的五倍。
雖然存在諸多挑戰，但綠氫在中國實現「雙碳」目標的道路上仍然能夠發揮可觀作用，人們對新的混氫試點項目的關注和熱情也越發高漲。這些專案的成功與否，取決於幾個需要中國決策者仔細考慮的因素。其中包括：對新型管道材料進行廣泛研究；適應現有管道特性的混合比例；制定管道安全標準化法規；評估市場吸引力；最重要的是，評估實際的減排潛力。
只要合理地將政策和鼓勵措施相結合，中國就有可能複製其在太陽能和風能方面的成功，成為全球綠氫領域的領導者。為了實現這一目標，能源研究人員和政策制定者必須繼續解決氫氣混合方面的挑戰和問題。
※ 本文經授權轉載自中外對話〈天然氣摻氫能幫助中國脫碳嗎？〉。不適用CC共創授權條款。
