環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

撰文|小博

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的2005篇原創(chuàng)

氫能被視為未來能源，是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要抓手，尤其在難以電氣化的領(lǐng)域具有不可替代的作用。

在眾多氫能利用路徑中，利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)摻氫，被認(rèn)為是中國綠氫規(guī)模化最經(jīng)濟(jì)、最快速的路徑之一。

相比重新建設(shè)專用輸氫管網(wǎng)，天然氣管網(wǎng)摻氫能夠利用既有基礎(chǔ)設(shè)施，降低初期投資成本，因此受到歐洲、中國等多個(gè)國家和地區(qū)關(guān)注。

目前，中國有10萬公里天然氣管網(wǎng)，每年輸送天然氣約3850億立方米。同時(shí)，中國又擁有全球規(guī)模最大的風(fēng)電和光伏發(fā)電體系，2023年風(fēng)光發(fā)電量已超過3萬億千瓦時(shí)。

在這樣的背景下，利用西部豐富的風(fēng)光資源制取綠氫，再通過現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)向東部負(fù)荷中心輸送，成為許多研究和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中的重要設(shè)想。

不過，這條被廣泛討論的路線，是否真的能夠支撐中國未來大規(guī)模綠氫發(fā)展？

近日，北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院、廣東省能源轉(zhuǎn)型風(fēng)險(xiǎn)感知與可持續(xù)治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張浩然研究員團(tuán)隊(duì)在Cell Press細(xì)胞出版社交叉學(xué)科期刊Nexus發(fā)表題為"Can Renewable Hydrogen Blending Support a Nationwide Pathway in China"的研究論文，對(duì)天然氣管網(wǎng)摻氫的解決方案，提出不同看法。

論文整合了15470座風(fēng)電和光伏電站數(shù)據(jù)，涉及超過1.35億條小時(shí)級(jí)發(fā)電記錄，同時(shí)結(jié)合全國天然氣主干管網(wǎng)超過20萬條運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)綠氫生產(chǎn)、運(yùn)輸、注入和終端利用全過程進(jìn)行了模擬分析。

這是目前我看到的關(guān)于中國天然氣摻氫空間分析中數(shù)據(jù)規(guī)模最大的研究之一。目的就是要回答這樣一個(gè)問題：假如中國真的把天然氣管網(wǎng)摻氫做成全國戰(zhàn)略，能不能跑通？

這篇研究論文對(duì)中國天然氣管網(wǎng)摻氫的全國性可行性進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)估。研究結(jié)果顯示，盡管天然氣管網(wǎng)摻氫在部分區(qū)域具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值，但從全國范圍來看，中國綠氫資源分布與天然氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)之間存在顯著空間錯(cuò)配，全國性推廣面臨難以回避的結(jié)構(gòu)性約束。

研究論文還有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，即管網(wǎng)摻氫出現(xiàn)一個(gè)“三難困境”。在大規(guī)模注入能力、好的投資回報(bào)率、顯著減排效果三者之間，中國沒有任何區(qū)域能同時(shí)滿足這三個(gè)目標(biāo)。

研究提出，全國性鋪開管網(wǎng)摻氫并非最優(yōu)路徑，聚焦少數(shù)優(yōu)勢(shì)走廊才是更有效的策略。

01

全國摻氫能力高度集中于西北和華北

研究首先回答了一個(gè)基本問題，即全國各地的可再生氫生產(chǎn)能力和管道容納能力是否匹配。結(jié)果表明（圖1），只有西北和華北兩個(gè)區(qū)域同時(shí)具備大規(guī)模制氫能力和管道容納空間。

圖1 ：摻氫能力分布分析

研究發(fā)現(xiàn)，中國天然氣管網(wǎng)能夠承載的大規(guī)模摻氫能力并非均勻分布，而是高度集中在少數(shù)區(qū)域。

其中，西北地區(qū)和華北地區(qū)是全國僅有的兩個(gè)同時(shí)具備大規(guī)模綠氫生產(chǎn)能力和天然氣管網(wǎng)消納能力的區(qū)域。

測算顯示，西北地區(qū)可實(shí)現(xiàn)約78億立方米氫氣當(dāng)量注入能力，華北地區(qū)約為74億立方米，全國超過70%的摻混容量集中在西北和華北的上游干線上。

其余地區(qū)要么棄電資源不足（西南、華中），要么管道容量有限（東部沿海），根本不具備規(guī)模化摻混的條件。

形成這一格局的原因在于資源和基礎(chǔ)設(shè)施的雙重疊加。

一方面，西北地區(qū)集中了我國大部分大型風(fēng)光基地，棄風(fēng)棄光資源豐富，具備低成本制氫條件；另一方面，該區(qū)域也是西氣東輸?shù)葒姨烊粴庵鞲晒艿赖闹匾瘘c(diǎn)，天然氣流量巨大，能夠提供較高的摻氫容量。

02

經(jīng)濟(jì)賬最佳區(qū)域并非資源最豐富地區(qū)

更值得關(guān)注的是，經(jīng)濟(jì)可行性呈現(xiàn)出完全不同的地理分布，注入能力最高的區(qū)域并不意味著經(jīng)濟(jì)效益最好（圖2）。

圖2 經(jīng)濟(jì)效益分布分析

研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)全國各區(qū)域項(xiàng)目進(jìn)行了投資回報(bào)率測算，并以6%的收益率作為經(jīng)濟(jì)可行性基準(zhǔn)。

結(jié)果顯示，東北地區(qū)反而成為全國經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)最好的區(qū)域。

其中，98.8%的風(fēng)電制氫項(xiàng)目以及29.4%的光伏制氫項(xiàng)目投資回報(bào)率超過6%。

研究認(rèn)為，這主要得益于東北地區(qū)距離華北負(fù)荷中心較近，運(yùn)輸距離較短，壓縮和輸送成本明顯低于西北地區(qū)。同時(shí)，當(dāng)?shù)貤夛L(fēng)資源相對(duì)豐富，也有助于提升電解槽利用率。

相比之下，擁有最強(qiáng)資源稟賦的西北地區(qū)卻面臨顯著成本壓力。

由于氫氣需要沿天然氣主干管線長距離輸送至東部市場，平均運(yùn)輸距離接近2000公里。研究測算，僅運(yùn)輸環(huán)節(jié)就會(huì)帶來相當(dāng)于每立方米氫氣3.94元的成本，這吃掉了大部分利潤。

受此影響，西北地區(qū)96.3%的光伏項(xiàng)目和44.3%的風(fēng)電項(xiàng)目未能達(dá)到6%的收益率門檻。

西南地區(qū)則受限于風(fēng)光資源條件和電解槽利用小時(shí)數(shù)不足，同樣面臨較高成本壓力。

研究指出，在天然氣摻氫體系下，決定項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素并非電解槽技術(shù)本身，而是棄電資源、運(yùn)輸距離和基礎(chǔ)設(shè)施布局之間的空間組合關(guān)系。

03

長距離運(yùn)輸削弱減排效果

除了經(jīng)濟(jì)性，研究還重點(diǎn)評(píng)估了綠氫摻混天然氣后的全生命周期減排效果。

結(jié)果顯示，運(yùn)輸距離成為影響減排效果的決定性因素（圖3）。

圖3 減排效益分布分析

在靠近消費(fèi)中心的華北、華東和華南地區(qū)，氫氣運(yùn)輸距離通常只有數(shù)百公里，全生命周期排放水平約為每公斤氫氣2.8公斤二氧化碳當(dāng)量，仍能夠?qū)崿F(xiàn)每公斤氫氣約10公斤二氧化碳的凈減排效果。

但隨著運(yùn)輸距離增加，情況迅速發(fā)生變化。

在西北地區(qū)，由于氫氣需要通過長距離天然氣管網(wǎng)輸送至東部市場，運(yùn)輸過程中額外的壓縮能耗和泄漏損失顯著增加。

研究測算顯示，當(dāng)運(yùn)輸距離接近2000公里時(shí)，綠氫全生命周期排放水平上升至每公斤氫氣13-14公斤二氧化碳當(dāng)量。

當(dāng)運(yùn)輸距離超過1500公里后，僅運(yùn)輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的排放就可能超過每公斤氫氣9.8公斤二氧化碳當(dāng)量。

研究發(fā)現(xiàn)，約39%的西北項(xiàng)目，其運(yùn)輸過程產(chǎn)生的額外排放已經(jīng)抵消了綠氫本身的大部分減排收益。

用西北的綠電制氫、千里迢迢送到東部燃燒，可能比直接用天然氣還不綠，減碳效果被長途運(yùn)輸吃掉了。在全國尺度下，綠氫資源最豐富的地區(qū)，未必能夠獲得最佳減排效果。

04

天然氣網(wǎng)絡(luò)與氫氣網(wǎng)絡(luò)難以重合

論文最核心的發(fā)現(xiàn)來自對(duì)全國能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析。研究指出，天然氣網(wǎng)絡(luò)和氫氣網(wǎng)絡(luò)遵循完全不同的空間邏輯。

天然氣系統(tǒng)長期形成了“西氣東輸”的結(jié)構(gòu)特征，即資源集中在西部，消費(fèi)集中在東部。

但氫氣摻混運(yùn)輸并不能簡單復(fù)制這一模式，原因在于天然氣管網(wǎng)摻氫具有明顯的“空間排他性”。

當(dāng)氫氣在上游節(jié)點(diǎn)注入后，會(huì)隨著天然氣共同流向所有下游支線。由于管道摻氫比例受到安全約束限制，一旦上游占用了摻氫額度，下游節(jié)點(diǎn)能夠繼續(xù)注入的空間就會(huì)受到擠壓。

研究將這種現(xiàn)象稱為“空間排他資源”。

在這種約束下，全國超過70%的摻氫能力必須依賴上游干線走廊實(shí)現(xiàn)。然而，經(jīng)濟(jì)性最佳區(qū)域和減排效果最佳區(qū)域卻主要位于中下游地區(qū)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分別構(gòu)建了以注入規(guī)模最大化、經(jīng)濟(jì)收益最大化和減排效果最大化為目標(biāo)的三種優(yōu)化情景。

結(jié)果顯示，無論采用哪種優(yōu)化目標(biāo)，氫氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)都無法復(fù)制天然氣網(wǎng)絡(luò)的空間結(jié)構(gòu)。

即使在追求最大注入規(guī)模的情景下，天然氣管網(wǎng)實(shí)際利用率也只有約11%；而在追求減排效果的情景下，利用率進(jìn)一步下降至不足9%。

與此同時(shí)，大量上游注入能力長期處于閑置狀態(tài)。

研究指出，即使采用不同優(yōu)化策略，全國范圍內(nèi)仍有超過60%的上游摻氫能力無法得到有效利用。

論文認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)性錯(cuò)配并非由項(xiàng)目選址造成，而是由中國風(fēng)光資源分布和天然氣管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共同決定的結(jié)果。

研究結(jié)論顯示，天然氣管網(wǎng)摻氫在局部區(qū)域具備現(xiàn)實(shí)價(jià)值，但作為全國性綠氫發(fā)展路徑，其規(guī)?；茝V面臨資源分布、經(jīng)濟(jì)性和減排效果之間難以同時(shí)滿足的系統(tǒng)約束。

研究的核心結(jié)論是，全國性鋪開氫摻混并非中國氫能管輸?shù)淖顑?yōu)方向。 更有效的策略包括三個(gè)方面：

第一， 聚焦華北走廊，這是全國唯一能同時(shí)兼顧規(guī)模和效益的結(jié)構(gòu)性通道。

第二，西北轉(zhuǎn)向本地消納，優(yōu)先發(fā)展工業(yè)用氫、合成氨、區(qū)域氫能樞紐，而非遠(yuǎn)距離管輸。

第三，東部發(fā)展專用設(shè)施，依托港口進(jìn)口和產(chǎn)業(yè)集群，建設(shè)獨(dú)立于天然氣管網(wǎng)的氫基礎(chǔ)設(shè)施。

對(duì)于管網(wǎng)運(yùn)營企業(yè)而言，本研究提供了一個(gè)關(guān)鍵啟示。氫摻混的價(jià)值不在于覆蓋面廣，而在于選對(duì)走廊。 與其在全網(wǎng)均勻推進(jìn)試點(diǎn)，不如集中資源打通少數(shù)幾條資源與管道高度耦合的優(yōu)勢(shì)通道，實(shí)現(xiàn)真正的規(guī)模效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)可行性。

研究團(tuán)隊(duì)介紹：

論文第一作者為北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院李焱楠碩士生，通訊作者為北京大學(xué)城市規(guī)劃與設(shè)計(jì)學(xué)院、廣東省能源轉(zhuǎn)型風(fēng)險(xiǎn)感知與可持續(xù)治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張浩然研究員。團(tuán)隊(duì)以能源地理與管網(wǎng)系統(tǒng)科學(xué)為核心方向，圍繞大規(guī)模能源網(wǎng)絡(luò)的空間優(yōu)化與可持續(xù)轉(zhuǎn)型開展前沿研究。

參考資料

1，論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ynexs.2026.100149

2，Nexus Journal：北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)｜十萬公里天然氣管網(wǎng)能否撐起中國氫能輸運(yùn)版圖

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