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淺析“雙碳”目標下氫能與
天然氣融合發展的實現路徑
——以江蘇省常州市為例
文/施衛娟 常州市金壇區發改局
“碳達峰、碳中和”（以下簡稱“雙碳”）目標下，綠色低碳是未來能源發展的主要方向。為實現“雙碳”目標，就要解決從傳統“以化石能源為基礎”的能源體系向“以新能源為主導”的新型能源體系轉變這一問題。相較于煤炭、石油，天然氣雖作為傳統化石能源，但具有清潔低碳的顯著特征，是能源轉型過渡的橋梁型能源。經過多年發展，目前我國天然氣供應渠道多元化，基本實現了長期安全穩定的供應格局。另一方面，氫能作為一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，被譽為21世紀的“終極能源”，正逐步成為全球能源轉型發展的重要載體之一。天然氣與氫能的融合發展有利于降低能源轉型的社會成本，有助于兼顧能源清潔化與能源安全“雙重”目標，對我國實現“雙碳”目標具有重要的推動作用。
一、天然氣在“雙碳”背景下的定位與作用
天然氣在能源低碳轉型中將發揮重要的“橋梁”作用，既是保障能源安全的“壓艙石”，又是新型電力系統中的“穩定器”、促進氫能產業發展的“孵化器”。
從近中期來看，天然氣作為清潔低碳的化石能源，仍存在較大替煤增長空間。國際碳減排經驗表明，“氣代煤”是碳達峰階段及碳減排初期的主要路徑。在含碳能源中，天然氣具有降污和減碳的雙重特性，可以在能源轉型的過程中發揮替代高碳能源的作用，搭建起從高碳到零碳之間的橋梁，肩負著由化石能源向非化石能源過渡的重要使命，可實現能源低碳轉型中的穩定過渡。
從中長期來看，隨著可再生能源裝機規模占比加速增長，以新能源為主體的新型電力系統將對電網的安全穩定運行帶來一系列沖擊及挑戰，為有效保障電網安全，預計天然氣需求將會呈現“先升后達峰”的趨勢，成為高比例可再生能源新型能源體系的調峰、補充、平衡和保障能源。屆時天然氣將充分發揮啟停靈活、運行穩定等特性，與新能源融合發展，成為構建以新能源為主體的清潔低碳能源體系的重要支撐。按照清華大學能源環境經濟研究所的預測，天然氣消費量在2035年左右達峰，峰值約為6600億m3；消費量達峰后將進入長期下降通道，至2060年時降至1400億m3左右。
二、氫能在“雙碳”背景下的定位與作用
“雙碳”目標提出后，我國氫能技術和產業進入發展快車道。2022年國家發展改革委發布的《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》明確，氫能是未來國家能源體系的重要組成部分、是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體，氫能產業是戰略性新興產業和未來產業的重點發展方向。
氫與電類似，都可以用多種原料生產制備，都是理想的能量載體。但和電難以儲存的性質不同，氫能可以穩定儲存和運輸，且可以與碳和氮等其他元素結合制成高效的氫基燃料。氫能夠發揮的作用包括：成為難以電氣化的工業深度脫碳的抓手；是支撐可再生能源大規模發展的儲能載體；成為交通領域和新型高效燃料電池發電的重要能源；成為二氧化碳大規模化學利用合成氫基燃料的依托資源等，是能源體系中的重要載體。根據中國氫能聯盟預計，2030年我國氫氣年需求量約3715萬噸，在一次能源終端消費占比約5%；2060年需求量約1.3億噸，終端消費占比20%。
三、天然氣和氫能融合發展的歷史機遇
（一）政策支持提供頂層設計
常州在能源發展上一直緊跟國家政策，從產業發展、技術創新、應用推廣等多方面給予能源產業政策和資金支持。2016年，常州市金壇地下儲氣庫建設經國務院批準納入《長江三角洲城市群發展規劃》；2023年，常州市委、市政府召開新能源之都建設推進大會，發布了《推進新能源之都建設政策措施》，目標將常州打造成引領長三角、全國領先、全球有影響力的新能源之都；2024年，江蘇省委辦公廳、省政府辦公廳日前聯合印發《關于支持常州新能源產業高質量發展的意見》。
（二）資源稟賦打下堅實基礎
近年來，常州市一直積極打造“長三角天然氣中心樞紐”“長三角區域天然氣貿易中心”，有著得天獨厚的發展優勢。
天然氣來源廣泛。常州地區天然氣種類主要包括LNG、煤層氣及頁巖氣。目前形成“四方來氣”的格局，東有南通LNG，氣源來自海外；西有西氣東輸，氣源來自西部；南有川氣東送，氣源來自中亞、四川；北有冀寧聯絡線，氣源來自陜京線。
儲氣規模全省第一。21世紀初，為積極響應國家“西氣東輸”“川氣東送”戰略，中鹽公司利用常州金壇區豐富的鹽礦資源，將開采鹽鹵剩余的鹽腔進行造腔用于天然氣存儲，中石油、中石化、香港中華煤氣等能源領域頭部企業先后布點建設天然氣儲氣庫，共計劃建設155口儲氣井，全部投用后預計形成32億m3工作氣量；截至2024年2月底，金壇儲氣庫累計采氣量突破70億m3，按照每戶每天1.5m3用氣量計算，可滿足長三角地區4666萬戶家庭調峰期的燃氣需求。
天然氣基礎設施完善。作為制造業強市，常州市高度重視能源供應布局。天然氣管網建設更是起步早、布局完善。經過多年建設，目前市區燃氣管網總長達3800公里，已形成“高壓儲氣、中壓成環、低壓成網”的供氣管網格局，在保障城市用氣的同時，也保障了高占比的工業用氣。
（三）氫能產業發展提前謀劃布局
常州是國內涉足氫能產業最早、企業集聚度最高的地區，已初步形成了“制、儲、輸、用”氫能產業鏈。
產業鏈初現雛形。已初步構建了氫氣制備和儲運、電堆及核心零部件、系統、整車制造、加氫站建設運營等較為完整的“制、儲、運、用”產業鏈。據不完全統計，全市氫能產業相關企業超30家，高新技術企業18家，覆蓋了產業上、中、下游的多個領域，產業鏈上下游產值達百億級。
創新能力初步形成。依托科教、產業、生態等優勢，以蓬勃之勢釋放創新力。江蘇集萃安泰創明先進能源材料研究院領銜成立江蘇集萃先進能源材料與應用技術研究所，引領氫能發展創新驅動核心；天合光能與國內外知名高校與研究機構廣泛合作，產教融合，多方賦能技術發展、商業化運行；常州大學、常州科教城和常州城建產業集團有限公司聯合成立江蘇常氫科技工程研究院有限公司，深入探索氫能產業“制-儲-運-用”各環節新技術、新工藝、新裝備的研發與試驗；常州工學院建設“高壓低溫氫存儲裝備智能制造與檢測技術重點實驗室”，打造高水平創新平臺。
產業集聚度日益提升。常州市氫能產業主要集中在武進、新北兩地。重點在武進區“兩湖創新區”核心區規劃建設“常州氫灣”，啟動區面積220畝，其中創新孵化區30畝，依托西太湖科技產業園在氫能產業技術研發、氫燃料電池關鍵零部件、氫制取系統研發等方面集中布局，將努力打造“一基地、一示范區、兩中心”氫能產業格局。目前，大連銳格燃料電池測試平臺項目、江蘇世恩電解水制氫極墊項目、南大氫能膜電極項目等8個項目已入駐常州氫灣。新北區依托濱江化工園在氫回收、氫儲備、氫動力產品研發等方面集聚企業。其中，永安行科技股份有限公司已建成燃料電池及儲氫器生產線，成為全球首個大規模量產運營的氫能動力車系統。
（四）區位優勢注入發展動力
常州擁有長三角交通中軸樞紐和上海大都市圈重要戰略節點城市的獨特區位優勢，借力上海加快打造“長三角氫走廊核心點”的東風及長三角天然氣消費持續走高的市場需求，必將迎來氫能產業與天然氣產業加速融合發展的大好機遇。
四、氫能和天然氣融合發展實現路徑
天然氣和氫氣都屬于氣體燃料，不僅在屬性上具有相似性，產業鏈條也有重合之處。天然氣產業鏈與氫能產業鏈可以在生產、運儲、供銷與利用等上、中、下游各環節進行融合，形成互補、增益、協同的低碳能源互聯網絡。
（一）天然氣制氫——上游融合
天然氣制氫耦合CCUS（碳捕集與封存）或天然氣裂解制氫，可以實現“灰氫”變“綠氫”，實現天然氣產業鏈向氫能產業鏈的能量流動，是現存制氫方式中兼顧經濟性和環保性的最佳選擇。在可再生氫大規模應用之前，近中期天然氣制氫仍是較為便捷、低碳、低成本的氫源獲取方式，能夠在培育氫能產業、帶動規模化氫能消費、為可再生能源制氫的大規模應用做鋪墊等方面發揮重要作用。
根據Global CCS Institute發布的數據顯示，2020年，全球利用天然氣（甲烷）生產純氫的產量占比達到43.8%。國內在氫氣制取的來源上與全球情況恰恰相反，2022年，國內制氫中天然氣制氫占比僅為19%。國內天然氣資源缺乏，大部分都依賴進口，因此天然氣制氫份額并不高，目前的主要制氫方式仍是煤制氫、工業副產氫，尚未實現大規模的天然氣制氫。
常州市可充分利用自身豐富的天然氣儲備量，逐步推廣天然氣制氫應用。例如，常州市藍博氫能源科技有限公司的產品就有天然氣制氫，2023年該公司制氫的規模在10萬噸左右。
（二）天然氣管道摻氫運輸——中游融合
目前常用的氫氣輸送方式主要有液氫槽罐車輸送、高壓氫瓶長管拖車輸送和液氫駁船輸送等，成本較高，效率較低。而用管道輸送氫氣成本低、效率高，運輸距離適應性廣，是氫能發展前期降低氫氣運輸成本的有效解決方案之一。同時天然氣的主要成分是甲烷，甲烷燃燒會產生大量二氧化碳，而天然氣摻氫將氫氣以一定體積比例摻入其中，通過現有天然氣管道進行輸送，替代天然氣使用，可以改善燃燒性能，并減少污染物排放。
國際可再生能源組織（IRENA）指出目前純氫管道的規模遠不能滿足氫能產業快速發展的需要，一些國家和地區擁有較完善的天然氣輸配設施可用于大規模儲運氫氣。在當前氫氣儲運基礎設施尚未完善，發展不非常明晰的大背景下，將氫氣摻入天然氣，在對原有的天然氣管道不進行大量改造的前提下，實現摻氫天然氣的運輸，是大規模輸送氫氣、推廣氫能利用的有效方式。常州地區天然氣管道布局完善、四通八達，是實施摻氫運輸的最佳主體。
目前，天然氣管道摻氫運輸還存在氫脆、泄露等一些安全問題，應對摻氫后管道相容性、摻氫比例安全模型、氫脆機理等方面進行技術攻關，不斷提高管道摻氫安全性。
（三）天然氣摻氫發電——下游融合
《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035）年》提出“氫能是用能終端實現綠色低碳轉型的重要載體”，終端應用時在天然氣發電機組中增加氫燃料，可在節約天然氣消耗的同時降低碳排放，對建設各資源要素高效流通的能源大市場有著積極的意義。據全球能源互聯網發展合作組織預計，2060年中國氫燃料發電裝機將達0.25 TW，成為電源側重要的靈活性電源之一。下游融合還包括在已有LNG（液化天然氣）、CNG（壓縮天然氣）加注網絡中擴建氣—氫綜合能源站、以天然氣為燃料的燃料電池分布式熱電聯供等方式。
常州市目前有3家大型天然氣發熱電企業、2座加氫站及零星分布的LNG、CNG加注站，再加上完整的新能源電池產業鏈，具備開展天然氣摻氫發電下游融合的先天條件。