報告一：2002-2006年的Naturalhy項目報告
Naturalhy是一個綜合項目，該項目由歐盟委員會通過第六框架計劃（2002-2006）共同資助。Naturalhy認為“將氫作為一種現實的能源選擇迫在眉睫，必須在現有廣泛的天然氣系統范圍內采取切實可行的策略。這是在未來30至50年內在歐洲大規模推廣氫氣的唯一現實解決方案。”本次項目的直接目的為：發現并解決將氫氣逐步引入天然氣網絡的障礙。
細分目標可以歸納為以下四個方面：
1、經濟方面，分析過渡性天然氣/氫氣系統的社會經濟影響，并將其與當前的天然氣及相關系統進行比較，特別是在創造就業機會、維護、資本投資和總經濟成本方面。
2、技術方面，對使用氫技術過程中的安全性，耐用性和管道完整性的問題將進行調查并開發出新的設備。具體的聚焦點為爆炸、老化與修理。
3、法規方面，評估有關氫氣/天然氣混合物的標準和法規的現狀，并確定必要的修改并啟動所需的更改。
4、決策方面，開發決策支持工具，以評估現有天然氣系統（傳輸，存儲，分配，最終用戶基礎設施和最終用戶設備）對氫氣/天然氣混合物的適用性，并開發模型以確定經濟性。
項目團隊由39個合作伙伴組成的國際財團，由NV Nederlandse Gasunie統籌協調。Gasunie成立于1963年，是荷蘭的天然氣基礎設施和運輸公司。
由于Naturalhy項目具體的試驗場所，手段，具體試驗參數披露較少，并且關于結論方面的信息披露的也較為零散和專業，在本文中先不對該項目具體的試驗數據做深入討論，只對部分主要結論做展示。關于經濟性方面，Naturalhy評估了通過富氫天然氣撬動氫能產業鏈的可行性。關于技術方面，Naturalhy主要披露了天然氣管道的修理方法、爆炸情況。
報告二：2008-2011年Sustainable Ameland項目報告
該項目第一次長時間測試了天然氣摻氫的家用性能。
該項目選擇了風景秀麗的旅游小鎮Ameland Nes，通過用同樣材料建設通富氫天然氣的管道和用來對比的通純天然氣的管道，以此來研究富氫天然氣對管道的影響。項目第一年采用外運瓶裝的氫氣進行混合，此后三年的氫氣來源為試驗地附近的太陽能發電制氫。
報告三：2013年美國國家可再生能源實驗室（NREL）發布的《天然氣管道混入氫的關鍵技術報告》
該報告為綜述性報告，總結了美國本土天然氣摻氫研究成果，并且也結合了全球其它重要的研究成果。該報告由天然氣技術研究院(GTI)完成，主要提供給NREL。項目也由“美國能源部的燃料電池技術項目”資助。該報告的完成得到了H2Pump LLC，NaturalHy項目，AP公司，Power & Energy Inc和CB&I Lummus Technology的支持。
本篇報告的數據主要來源于：NaturalHy報告，CTC（Concurrent Technologies Corp. PA, US）報告，IEA溫室氣體研究項目中的報告，以及美國機械工程師協會，美國天然氣基金會，美國石油協會，Hydrogenics公司，通用汽車公司，Directed Technologies, Inc，Radian International LLC，美國環境保護局，美國能源信息管理局，日本能源經濟研究所，歐洲工業氣體協會，荷蘭GASTEC科技公司，荷蘭EET項目等研究成果。香橙會研究院從上述三個報告中，提煉出凝練出經濟社會意義、使用安全與管道耐久性以及終端家用情況三大方面結論分享給讀者。
1.HCNG是打開氫能社會的一把金鑰匙
由于可再生能源的波段性，區域局限性，其大規模使用不得不依賴高效并且靈活的能量存儲載體。同樣的能量，如果采用鹽穴儲氫，其成本比鋰離子電池存儲電能成本低100倍。而如果重新利用天然氣管道運輸氫，其能力為電網輸送能力的效率高至少10倍（數據來源：歐洲2×40GW項目計劃）。然而由于下游缺乏對氫氣的應用場景，且應用端投資較大，上游便無法大規模生產氫氣，而這又導致了氫氣價格居高不下，下游的應用則更難推廣。
天然氣摻氫HCNG（hydrogen compressed natural gas）也被稱為Hythan（hydrogen-methane-mixture）。由于其有潛力直接利用天然氣管道，投資少，可以直接接觸到廣泛的消費者，產生經濟效益迅速，并且可以允許一部分的氫含量波動（此特點與可再生能源制氫具有間歇性的特點契合），因此被認為是撬動氫能產業鏈，解決氫能全產業面臨的“先有雞還是現有蛋”問題的金鑰匙。
2.氫氣與天然氣基本性質比較
首先，從氫和天然氣的基本參數對比（表1）可以看出：1、燃燒能量方面：氫氣密度較低，但單位質量的燃燒熱遠大于天然氣（氫約144MJ/kg，天然氣為47.5MJ/kg）。2、燃燒性質方面：氫更容易點燃且其火焰速率要遠快于天然氣。3、安全性方面：雖然氫在PE管道和鐵制管道中的擴散系數遠高于天然氣5倍左右（表1，2），容易造成泄露，但是其在空氣中的擴散系數也遠大于天然氣，這樣便不易造成擴散后的聚集，從而降低了危險性。
表1.天然氣與氫基本參數對比（標準大氣壓下）
表2. 氫在塑料管的氫和甲烷的滲透系數（單位10-3×ft3-mil/ft/day/psig）
資料來源：NREL
3.氫脆與泄露不是攔路虎
許多鋼都容易發生氫脆（如圖1），即材料接觸氫時，在低于屈服強度的持續載荷下發生脆性斷裂。氫濃度和操作壓力是導致氫脆的最關鍵因素。而如果是使用低強度鋼的管道，其主要的氫損傷是拉伸延性的喪失或起泡，但通常在氫環境下以延性斷裂而非災難性脆性斷裂。氫損傷的嚴重程度在很大程度上取決于氫濃度和操作壓力。
在中低壓力（290 psig（20 bar））管道系統中，由于管道運行抗拉強度相對于設計強度較低，因此對氫增強裂紋增長的影響要小得多。在全世界范圍內，在壓力低于290 psig （20 bar）的情況下成功運輸純氫已有很長的歷史，在過去的幾十年里沒有出現操作問題。
資料來源：NREL
圖1. 氫脆過程
對于其他金屬管道，包括球墨鑄鐵、鑄鐵和鍛鐵以及銅管道，在天然氣運輸系統的一般操作條件下，不需要擔心氫損傷。關于氫老化對聚乙烯（PE）或聚氯乙烯（PVC）管道材料的影響，也沒有大的擔憂。大多數用于天然氣管道系統的彈性體材料也可與氫相兼容。
4.安全性綜合評估
此處根據天然氣管道的不同模塊，分開討論HCNG在其中的安全性能。參照美國國家可再生能源實驗室技術報告對天然氣管道的分類，天然氣管道可以分為：收集段線路、主干道傳輸線路、主支線傳輸線路和終端服務分配傳輸線路四大模塊（如圖2）。各環節所用材料等在不同地區都會有所不同，具體情況還應具體處理。此處給出披露的研究結論作為參考。
資料來源：NREL
圖2.包含收集線路、輸配主干線、分配主線和分配服務線的天然氣供應鏈
在管道的非爆炸安全性質方面，我們引用美國國家實驗室披露的關于分配主線和終端分配服務線的結論。此處安全等級被分為“嚴重”“比較嚴重”“一般”“較低”“低”“無”六個等級，表3。
分配系統和輸配主干線之間的一個重要區別是相對于人口密集地區的位置。在人口稠密的地區，輸氣管道中可接受的氫氣含量需要來自火災或爆炸的頻率和嚴重程度更多元的評估。此外，在分配系統中由氣體泄漏引起的危害可能比在傳輸管道中更嚴重，特別是在封閉的服務區（表4，5）。在氫服務系統下，分配系統的完整性管理可能需要檢漏裝置或監測裝置或傳感器。含氫的傳輸系統的維護費用可能會增加，因為這些系統需要更頻繁地檢查，可能需要額外的泄漏檢測系統。
研究結果表明，隨著氫氣含量的增加，分配服務線的事故嚴重程度略高于分配干線。這當中重要的區別來自于：位于應用終端的服務管道通常位于密閉空間中，泄漏氣體更容易積聚。
當氫氣濃度大于50%時，分配干線和分配服務線的事故總體嚴重風險都有一個比較大的上升。因此控制氫含量低于50%將有小減小整體風險。
表3. 天然氣輸送系統的危害等級與對應數值表
4.天然氣管道分配主線中各類事故對應的發生概率以及含不同比例氫氣時的嚴重情況
資料來源：NREL
表5.天然氣管道分配服務線中各類事故對應的發生概率以及含不同比例氫氣時的嚴重情況
資料來源：NREL
除了上述風險外，HCNG發生爆炸的風險也被評估。圖2描述了70 bar壓力，914mm 直徑傳輸管道在不同HCNG氫氣含量的情況下，發生爆炸，出現人員死亡的可能性曲線圖。可見人距離管道超過400米絕對安全。圖3則描述了不同管徑大小發生爆炸而每年造成人員死亡的可能性。
值得注意的是，在圖中研究的這些情況下，純天然氣的殺傷范圍會更大，但是近距離的殺傷力較低。這里重要的原因是氫混合物的更快速的分散，這導致在更短的距離內濃度更低，因此在危險距離的遠端降低了風險。雖然濃度整體較低，但是由于氫混合物的能量密度較高，距離爆炸點非常近的危險性比純天然氣高。
資料來源：Naturalhy
圖3. 個人每年的風險是與管道距離的函數
顯示的風險是個體風險:一個人在某一年成為死亡的可能性。
資料來源：Naturalhy
圖4.向天然氣管道中添加氫氣每年給個人帶來的風險
顯示的風險是個體風險:一個人在某一年成為死亡的可能性。
5.家用端使用情況及示范運行方法簡述
上文美國國家實驗室報告總結了氫在管道中運輸的情況。為家用供火的實用研究也已經完成，此處以荷蘭Nes小鎮項目為代表。其結果顯示在通入不到20%氫氣的情況下，使用的任何環節都沒有發現問題。
荷蘭瓦登海島阿默蘭島上的小鎮Nes上進行的HCNG家用項目是一項為期4年（2008-2011）的實地測試項目。該項目在向當地供應14套公寓的天然氣分銷網絡中添加了5-20%的氫氣（圖5，表6）。
資料來源：IGRC 2011報告
圖5.氫氣比例（%，周均比例）
表6. HCNG中氫氣的比例（%，年均比例）資料來源：IGRC 2011報告
介于本次示范項目意義較大，且官方披露了較為詳細的示范運營方法，在此我們對本次運營的方法進行簡述：
首先、該項目選擇了一個好的地點：埃姆蘭島。埃姆蘭島有幾個比較獨特的優勢：1、公寓位于城鎮的外圍，能夠控制燃氣網絡的隔離，并為氫供應和混合提供空間。2、是一個著名的旅游景點。每年約有50萬來自世界各地的游客，有非常好的社會效益。
第二、該項目構建了一個防止事故的安全體系。1、此地的天然氣調壓站、低壓裝置、爆炸安全、分區、通風、防雷和防火等標準得到檢查。2、氫氣天然氣攪拌機的安裝、煤氣柵和家用煤氣的安裝都經過廣泛的維修和檢查。3、這些公寓配備了安全傳感器，用于檢測煤氣泄漏和一氧化碳。4、對雇員、居民和當地消防隊進行了有關氫氣特性和控制的培訓。
第三、具備及時切斷氫氣供應的能力。一旦出現電力故障或氫氣供應故障，氫氣注入就會停止，而天然氣注入則會繼續進行。
第四、從簡單到復雜的摻氫過程。2007年12月到2018年12月，HCNG中的氫氣來自于氫氣瓶。2008年12月之后氫供應從氫瓶轉換到現場電解生產。氫氣發電所需的電力來自附近的“知識與創新中心”新大樓的太陽能電池板。
第五、除了測試網絡，還增加了參考網絡。這些類似的網格只是為了這個項目而建造的。網格是由同一批零件組成的。網格包含用于測試的干線、接頭、服務省長和煤氣表的不同材料。所選組件通常用于荷蘭的燃氣管道。
第六、參與測試的烹飪器是全新的并且具提前進行了測試。在此之前，所有的燃氣器具都通過測試含30%氫氣的氣體來進行安全測試。這10%的安全余量用于克服攪拌器的動態特性（超調）。新的烹飪器具和鍋爐被安裝，因為現有的器具的壽命幾乎到了盡頭。
第七、調研最終用戶的意見并積極推廣。問卷定期在“Noorderlicht”小區居民中發放。國家地理頻道的“綠色夢想區”電視節目讓小學生和高中生了解了氫經濟的重要性。此步驟保證了群眾基礎。該項目的最終結果顯示，四年之后：測試段的被檢測管道材料的最重要的性能在暴露于富氫天然氣沒有顯示出任何影響；沒有嚴重的泄露和滲透高的情況出現，也沒有因此導致任何安全問題；沒有發現與氫有關的管道材料缺陷。除了管材本身，接頭和配件，如如橡膠軟管、調控器、煤氣表都沒有表現出不良影響。
在鍋爐器具的點火、回火、泄露、火焰穩定性試驗同樣全部通過標準測試。
鍋爐控制單元的存儲器被讀出。沒有氫相關的故障記錄。目視檢查包括燃燒器、點火裝置、火焰電離檢測器、熱交換器、氣閥、冷凝水排放、配件和密封件，沒有發現與氫有關的缺陷或污染。
總結
美國國家可再生實驗室對天然氣摻氫在管道中的研究進行了總結，概述了不同壓力、不同氫氣含量對應不同管材的影響。這對實際中控制HCNG的應用風險以及后續HCNG研究思路都起到了重要的指導作用。終端端方面，荷蘭Nes小鎮項目在四年時間中沒有出現任何因為氫加入到天然氣管道后引起的異常。該項目所在地Nes也是一個旅游勝地，此項目也得到了廣泛社會傳播。
從國際領先的動態來看，目前所缺乏的是HCNG在工業中的應用研究，以及接近商業推廣的摸索。
由于HCNG具備投資成本低，接觸終端客戶多，經濟效益產生快，并且可以允許一定范圍的氫含量波動的特點，其示技術方面的問題解決后，相信商業化推廣會相對容易。其很有可能成為較早產生商業價值的氫能領域。
