氢作为一种能源载体，具备清洁高效、应用广泛、来源丰富等优点，被视为21世纪最具发展潜力的新能源，是全球经济脱碳的重要手段。近年来，世界各国都在积极推动氢能产业的发展。然而作为连接氢生产端与需求端的关键环节，“氢储运”依然是影响氢产业发展的“最难啃的骨头”之一。
许多业内人士认为，广泛的全球天然气基础设施网络可以用来运输氢气，且目前在全球范围内已有多个将低碳氢气掺入现有天然气管网系统的试点工作。然而需要指出的是，氢气的物理、化学等特性与天然气截然不同，对天然气管网安全、能源供应、气候和成本都有重大影响。
近期，美国环保协会（Environmental Defense Fund, EDF）的科学家团队作为共同作者在Energy Science & Engineering期刊发布了题为“利用现有天然气管网输氢所面临的挑战”（A review of challenges with using the natural gas system for hydrogen ）的学术论文（可点击文末“阅读原文”浏览论文），对这一议题进行了深入研究。
研究发现，尽管将天然气基础设施重新用于氢气输运是一个很有吸引力的提议，但其可行性取决于现有天然气网络对氢气的适用性。由于氢气在物理性、化学性、大气特性等方面与天然气（主要由甲烷组成的化石气体混合物）存在显著差异，因此天然气管网输氢在长途运输、本地配送和终端应用等方面存在诸多挑战。具体包括——
氢气是最小和最轻的分子 易造成材料风险和泄漏风险
由于氢分子是最小的分子，氢分子会扩散到钢材料中产生压力，造成材料的性能劣化，进而出现开裂，这一现象被称为“氢气加速疲劳开裂”（HAFC）。在长途运输中，输气管道经常使用高强度钢，且通常在高压下运行，氢气和应力会增加钢材裂纹的增长速度。欧洲近期对典型管道材料进行的大量测试表明，使用氢气会加速管道的疲劳开裂并降低断裂韧性。
氢分子也是最轻的分子。氢气的质量和密度是甲烷的1/8，在空气中的扩散率是甲烷的3倍左右。这意味着，相较天然气，氢气可以更快地从基础设施中泄漏、渗透到材料中，上升和积聚在密闭空间的高处。在本地配送中，管道网络以中低压将天然气输送至各个用户，这些管道材料包括低碳钢、铸铁以及高密度聚乙烯（HDPE）等。而氢气能够以较快的速度渗透进HDPE和其他用于垫片、密封件等零件的聚合物和弹性材料中，从而造成泄漏。一些测量结果显示，氢气通过塑料管道的泄漏率是天然气的4到5倍。
相较于甲烷，氢气虽然不会直接导致气候变暖，但排放到大气中的氢气会使甲烷、对流层臭氧和平流层水蒸气等温室气体的浓度升高，间接影响气候。根据一项发表在《Nature》子刊《通讯—地球与环境》的研究评估表明，氢气的全球增温潜势在100年尺度和20年尺度下分别为二氧化碳的12倍和37倍。
根据上文所述，氢气比甲烷更容易产生泄漏，因此其可能产生的气候风险也不能被忽视。
氢气体积能量密度较低 运输效率有限
虽然氢气的单位质量能量密度非常高，但由于其密度低，导致其单位体积能量密度较低，仅为典型管道气体的1/3。此外，为了减少“氢气加速疲劳开裂”的风险，输氢管道宜在低压下运行，这就导致利用现有长输管道输送氢气的能量效率会大大降低。
例如与天然气相比，如果将压力降低1/3，氢气可传输的能量将仅为天然气的1/9。
氢气更易燃 安全风险概率更大
氢气的点燃特性使其更易燃。氢气的可燃性下限和上限范围较甲烷宽得多，意味着氢气泄漏更有可能达到可燃浓度范围；氢气的点火能量也比甲烷低得多，意味着它更容易通过电气设备产生的电弧和火花意外点燃；此外，氢气的燃烧温度更高，火焰燃烧速度更快，且很难被发现。因此，泄漏的氢气更有可能导致安全风险。
英国曾计划在住宅燃气配送系统中试用纯氢气，并进行了定量风险评估。评估结果显示，即使住宅中安装了专为使用氢气而设计和认证的设备，火灾和爆炸等损害风险的频率和严重程度也会增加。
研究图示：利用现有天然气管网系统输送纯氢在长途运输、本地配送、储存、终端应用四个环节中的挑战和风险
研究进一步显示，对于天然气管网输送纯氢，如果不降低压力（从而大大降低能量密度）或进行大量投资，现有的基础设施大多无法使用，且终端设备也需要更换。对于氢气和天然气混合运输，虽然可以继续使用现有的基础设施，但由于氢气的体积能量密度大大低于天然气，混合运输的能量效率和气候效益都十分有限。例如，在天然气中混入 20% 的氢气（按体积计算），在最佳情况下，燃烧产生的每焦耳热量仅能减少7%的二氧化碳排放量。不仅如此，天然气管网输氢仍存在氢气泄漏所带来的安全和气候风险，需要我们继续探索新的解决方案加以克服。
综上所述，研究认为，利用现有天然气管网系统输送氢气可能初看起来很有吸引力，但有限的实用性以及相关的风险都表明，即使克服了主要的技术和经济障碍，这样的气体替代也可能会在风险增加的情况下，仅带来有限的收益。
