中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 2020年是氫能發(fā)展加速之年。中國國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會期間提出，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。應對氣候變化的脫碳愿景逐步成為氫能大規(guī)模部署的最重要驅動力。但我國目前在碳中和戰(zhàn)略下氫能產業(yè)發(fā)展目標和路徑尚不明確，本文應用情景分析方法和長期能源替代規(guī)劃(LEAP)模型的計算，對我國交通、工業(yè)、建筑與發(fā)電等領域的氫能進行需求分析測算，研究結果表明，為實現(xiàn)2060年碳中和目標，我國氫氣的年需求量將從目前的3342萬噸增加至1.3億噸左右，在終端能源體系中占比達20%。隨著深度脫碳需求的增加和低碳清潔氫經(jīng)濟性的提升，氫能在工業(yè)、交通、建筑與發(fā)電等領域逐步滲透，氫能供給結構從化石能源為主的非低碳氫逐步過渡到以可再生能源為主的清潔氫，并將提供80%氫能需求。2060年，低碳清潔氫供氫體系二氧化碳減排量約17億噸/年，約占當前我國能源活動二氧化碳總排放量的17%。
關鍵詞 碳中和；低碳氫；清潔氫；氫能；展望
隨著全球氣候變暖壓力增大以及后疫情時代綠色經(jīng)濟復蘇加速，氫能憑借其低碳清潔、能量密度高、可儲存、來源廣等特點，成為新時代能源低碳轉型的重要抓手。2019年底，在西班牙舉行的聯(lián)合國氣候變化框架公約締約方大會上，77個國家承諾2050年實現(xiàn)零碳排放目標。2020年中國國家主席習近平在第75屆聯(lián)合國大會期間提出，中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。從各個國家地區(qū)提出碳中和目標來看，應對氣候變化的脫碳愿景逐步成為推動氫能大規(guī)模部署的最大驅動力，我國于2020年12月由中國氫能源及燃料電池產業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(簡稱“中國氫能聯(lián)盟”)牽頭率先發(fā)布《低碳氫、清潔氫與可再生氫氣標準及評價》。低碳清潔氫由于碳排放低等優(yōu)點成為實現(xiàn)碳中和路徑的重要手段。
國際氫能委員會將氫能視為全球變暖控制在2 ℃能源轉型的支柱，預測到2050年，氫能將在全球終端能源需求中占比18%，在交通運輸、化工原料、工業(yè)能源、建筑供暖、發(fā)電等領域實現(xiàn)深度脫碳，將減少60億噸二氧化碳排放，消納和存儲500太瓦時的電力來促進可再生能源大規(guī)模部署。德國2020年通過國家氫能戰(zhàn)略，為實現(xiàn)碳中和目標，確認了“綠氫”的優(yōu)先地位，同時明確了氫能的主要應用領域：船運、航空、重型貨物道路運輸、鋼鐵和化工等行業(yè)。并計劃在2030年建成5 GW電解“綠氫”產能，2040年前建成10 GW。
全球主要發(fā)達經(jīng)濟體已先后制定氫能國家戰(zhàn)略或頂層設計，在氫能產業(yè)和技術的戰(zhàn)略布局走在了前面。而作為全球最大碳排放國，中國的碳排放量占全球的近30%，實現(xiàn)碳中和目標面臨嚴峻挑戰(zhàn)。2021年作為“十四五”規(guī)劃的開局之年，明確我國在碳中和目標下氫能產業(yè)應用重點領域和分階段低碳清潔氫能發(fā)展目標是關鍵。因此，本文對交通、工業(yè)、建筑與發(fā)電等領域的氫能需求進行分析測算，在此基礎上提出低碳清潔氫供給結構展望，最后提出我國氫能關鍵技術攻關方向，以期為氫能發(fā)展提供參考，對我國氫能產業(yè)的發(fā)展提供指導。
1 分析模型原理
本研究選用情景分析模型，具體采用基于長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)LEAP模型(long-range energy alternatives planning system)自下而上的分析方法，利用現(xiàn)有統(tǒng)計和預測數(shù)據(jù)，對人口、城鎮(zhèn)化進程以及工商業(yè)、建筑、交通和農業(yè)等各部門中不同技術轉換、能源產品生產以及終端用能特性進行分析，推演并預估能源消費終端中消耗的能源類型、消費方式、能源效率以及年活動水平等參數(shù)的變化趨勢，同時根據(jù)發(fā)展需求設置不同情景，依此分析預測2060年前氫能的消費總量及結構。
模型將終端能源消費劃分為交通、工業(yè)、建筑等部門，模型的運行需要大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及預測性數(shù)據(jù)的輸入。這些數(shù)據(jù)主要來源于中國統(tǒng)計年鑒、中國能源統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)、主要行業(yè)研究機構和領先國家相關預測，其中經(jīng)濟社會預測模型使用了中國政府或大型國際組織的預測數(shù)據(jù)、能效等技術數(shù)據(jù)著眼于相應技術或領域的國際領先水平，如圖1所示。
2 我國碳中和情景下的氫能需求預測
繼“雙碳”目標提出以后，2020年12月12日，習近平主席在氣候雄心峰會上進一步宣布：到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放量將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。這為我國以新發(fā)展理念為引領，在推動高質量發(fā)展中促進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉型指明了方向。作為世界第二大經(jīng)濟體，宣布碳達峰碳中和目標愿景彰顯了我國攜手各國積極應對全球性挑戰(zhàn)、共同保護地球家園的雄心和決心，為我國參與全球氣候治理、堅持多邊主義、構建人類命運共同體展現(xiàn)了大國擔當。
2.1 碳中和情景下的測算邊界
改革開放以來，我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，2020年人均GDP連續(xù)第二年超過1萬美元，脫貧攻堅戰(zhàn)取得了全面勝利。作為負責任的大國，我國一直積極參與應對氣候變化工作。與2005年相比，2019年我國單位國內生產總值二氧化碳排放量下降48.1%，提前超額完成對國際社會的承諾(單位國內生產總值二氧化碳排放2020年比2005年下降40%～45%)。雙碳目標的提出，意味著我國要用不到10年的時間實現(xiàn)碳達峰、用不到30年的時間完成從碳達峰向碳中和過渡。美國和歐洲從碳達峰向碳中和過渡的計劃周期分別是43年和71年。與之相比，我國碳達峰碳中和的速度更快、力度更大、任務更艱巨，建設清潔低碳、安全高效的能源體系，是實現(xiàn)碳達峰碳中和的必由之路。
2020年，我國的溫室氣體排放量約125億噸，其中二氧化碳排放量約112億噸。能源活動二氧化碳排放量約99億噸，占我國二氧化碳排放總量的85%。根據(jù)科技部中國21世紀議程管理中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，能源活動中，電力領域二氧化碳排放量約40億噸，工業(yè)領域二氧化碳排放量約36.1億噸(其中鋼鐵、水泥與化工行業(yè)的二氧化碳排放量占61%)，建筑與交通領域二氧化碳排放量分別約為11.5億噸和11.2億噸，如圖2所示。中國21世紀議程管理中心研究，預計我國將于“十五五”初期實現(xiàn)碳達峰，溫室氣體排放量峰值不超過130億噸，能源活動二氧化碳排放量峰值不超過105億噸，碳匯約9億噸；2060年實現(xiàn)碳中和時，我國的溫室氣體排放量不超過15億噸，碳匯約15億噸，其中，能源活動二氧化碳排放量約5億噸，如圖3所示。
我國要實現(xiàn)雙碳目標，能源領域的綠色轉型起著至關重要的作用。國務院《關于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟體系的指導意見》明確指出，要完善能源消費總量和強度雙控制度，提升可再生能源利用比例，大力推動風電、光伏發(fā)電發(fā)展，因地制宜發(fā)展水能、地熱能、海洋能、氫能、生物質能、光熱發(fā)電。預計2030年和2060年中國單位GDP能耗分別降至2020年的63%和17%；2025年煤炭消費實現(xiàn)零增長，電力生產碳排放量率先達峰；2030年，非化石能源占一次能源消費比重將約30%，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到(12～16)億千瓦，電能占我國終端能源消費比重約35%；2050年交通行業(yè)力爭實現(xiàn)凈零排放，2060年電能占我國終端能源消費比重將達70%。
2021年3月15日，中央財經(jīng)委員會第九次會議提出要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局，要構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。電力將在碳達峰碳中和過程中扮演最重要的角色，可以直接使用，也可以用來生產氫氣或其他合成燃料。氫則通過與電協(xié)同，推動高比例可再生能源發(fā)展，并實現(xiàn)終端部門的深度脫碳。
2.2 碳中和情景下的氫能需求測算
在2030年碳達峰情景下，我國氫氣的年需求量將達3715萬噸，在終端能源消費中占比約為5%，可再生氫產量約500萬噸/年，部署電解槽裝機約80 GW(按照電解槽負荷 3000小時/年，制氫效率5千瓦時/標方測算)。在2060年碳中和情景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中占比約為20%，可再生氫產量約 1 億噸，部署電解槽裝機至少 500 GW(按照電解槽負荷 8000小時/年，制氫效率3.6千瓦時/標方測算)。其中，工業(yè)領域用氫占比仍然最大，約7794萬噸，占氫總需求量60%；交通運輸領域用氫4051萬噸，建筑領域用氫585萬噸，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬噸，如圖4所示。
2.2.1 交通部門
近年來，交通運輸部門的碳排放年均增速保持在5%以上，成為溫室氣體排放增長最快的領域之一。交通運輸領域碳排放約占全國終端碳排放15%左右。與此同時，中國人均出行距離與千人汽車保有量仍遠低于發(fā)達國家，隨著中國基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化，交通運輸部門能源需求量仍會慣性增加。提高能源效率是緩解能源需求總量攀升的重要路徑，但是在目前使用內燃機和石油的情況下，能源效率提高并不能實現(xiàn)交通領域零排放。交通運輸部門要實現(xiàn)碳中和，將需要道路交通全面電氣化，同時航空和船運逐步替換使用零碳燃料等。在碳中和情景下，預計到2060年交通部門氫消費量約4000萬噸，如圖5所示。
（1）道路交通。以氫燃料電池汽車協(xié)同純電動汽車是道路交通全面實現(xiàn)電氣化實現(xiàn)深度脫碳的關鍵。目前中國汽車交通電氣化率不足2%。2035年前，在輕型道路交通領域，純電動汽車仍將占據(jù)主流；氫燃料電池汽車將在中重型和長途道路交通領域起到至關重要的作用。預計到2025年我國加氫站將超過1000座，燃料電池汽車保有量超過10萬輛；2035年燃料電池商用車保有量達到120萬輛，加氫站規(guī)模近萬座；到2060年增加至1100萬輛，其中，中重型燃料電池商用車750萬輛，在全部中重型商用車中占比接近65%。乘用車領域，2060年燃料電池汽車市場占比有限，約15%。結合燃料電池與電動化技術，道路交通有望在2050年前實現(xiàn)凈零排放。2060年道路交通氫氣消費量3570萬噸。
（2）船運與航空。船運領域，通過動力電池和氫燃料電池技術可實現(xiàn)內河和沿海船運電氣化，通過生物燃料或零碳氫氣合成氨等新型燃料實現(xiàn)遠洋船運脫碳。我國在船用動力電池技術、船用直流推進技術、船用充電技術等方面都具備了比較成熟的技術水平?？紤]到目前高功率燃料電池技術尚未成熟，燃料電池船只在早期階段推廣速度相對滯后于電動船，但后期隨著氫燃料存儲優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，燃料電池船舶市場滲透率將逐步提升至純電動船舶水平，預計2030年開始市場化推廣，到2050年約6%的船運能源消耗將通過氫燃料電池技術實現(xiàn)，氫氣消費量接近120萬噸，2060年氫氣消費量280萬噸。航空領域，以生物燃料、合成燃料為主，以氫能等為輔共同實現(xiàn)脫碳。以氫為燃料的飛機可能成為中短途航空飛行的一種脫碳路徑。目前，全世界已有多種機型正在開發(fā)和試驗。但在長距離航空領域，仍須依賴航空燃油，可通過生物質轉化或零碳氫氣與二氧化碳合成制得。預計2060年氫氣消費量200萬噸，提供5%左右航空領域能源需求。
2.2.2 工業(yè)部門
工業(yè)是當前脫碳難度最大的終端部門，化石能源不僅作為工業(yè)燃料，還是重要的工業(yè)原料。工業(yè)燃料通過電氣化可實現(xiàn)部分脫碳，但是作為工業(yè)原料部分，直接電氣化的空間十分有限。在氫冶金、合成燃料、工業(yè)燃料等行業(yè)增量需求的帶動下，2060年工業(yè)部門氫需求量將到7794萬噸，具體如圖6所示。
（1）傳統(tǒng)工業(yè)。氫氣是合成氨、合成甲醇、石油精煉和煤化工行業(yè)中的重要原料，還有小部分副產氣作為回爐助燃的工業(yè)燃料使用。目前，工業(yè)用氫基本全部依賴化石能源制取，未來通過低碳清潔氫替代應用潛力巨大。合成氨的需求主要來自農業(yè)化肥和工業(yè)兩大方面，其中農業(yè)肥料占70%左右。目前，我國合成氨行業(yè)步入微量增長階段。隨著肥效提高和有機肥替代，未來合成氨在農業(yè)消費量將下降至60%。非農業(yè)領域消費量受環(huán)保、新材料、專用化學品等工業(yè)消費拉動，需求量增長，但合成氨整體呈穩(wěn)中有降趨勢。合成甲醇方面，傳統(tǒng)領域甲醇消費增長依然較為緩慢，新興的甲醇消費的增長主要受甲醇制烯烴和甲醇燃料的發(fā)展推動。石油精煉氫氣主要用于石腦油加氫脫硫、精柴油加氫脫硫以改善航空燃油的無煙火焰高度、燃料油加氫脫硫、加氫裂化。2019年我國原油加工量6.52億噸，隨著石油消費量的增長和成品油品質要求的不斷提升，石油煉制行業(yè)的氫氣消費量有望持續(xù)增加。2030年以后，由于油品標準達到較高水平以及交通部門能源效率和電氣化率持續(xù)提升，煉廠氫氣消費將大幅下降。煤化工方面，出于我國能源安全的考慮，未來將扮演比較重要的角色。整體來說，現(xiàn)有工業(yè)氫氣需求量將呈現(xiàn)先增后降趨勢，2060年將降低至2800萬噸。
（2）新工業(yè)原料。氫氣通過氫冶金、合成航空燃料、合成氨作為運輸用燃料等方式，在鋼鐵、航空、船運等難以脫碳行業(yè)中發(fā)揮重要作用。綠色轉型下鋼鐵行業(yè)具有巨大清潔氫氣需求。2020年我國粗鋼產量首次突破10.65億噸，占全球產量50%以上。2030年后，氫氣作為冶金還原劑的需求開始釋放，到2060年電爐鋼市場占比有望提升至60%，超過30%鋼鐵產量采用氫冶金工藝，氫冶金領域氫氣需求量超過1400萬噸。合成燃料方面，氫氣與一氧化碳經(jīng)費托合成可生成氫基柴油、航空燃料等，與氮氣在高溫高壓和催化劑存在下合成氨燃料，從而對重型貨運、水運及工業(yè)領域傳統(tǒng)石油基柴油形成替代。2060年，合成燃料方面氫氣需求量1560萬噸，占船運與航運能源需求總量的40%。
（3）工業(yè)燃料。氫氣可通過專用燃燒器提供高品質熱源，從而代替部分天然氣和其他化石燃料，彌補電力在該領域的不足。例如，高能耗的水泥、鋼鐵、煉化行業(yè)中需要大量的高溫熱量。其中，鋼鐵和水泥熱耗中高品質熱占比近87.5%。預計2060年氫氣在鋼鐵和水泥高品質能耗中將提供35%熱量需求，需求量將達到1980萬噸。
2.2.3 建筑與發(fā)電部門
隨著我國城鎮(zhèn)化水平不斷提高，建筑部門的能源需求快速增長。2020年中國城市化率達到63%，預計到2030年建筑部門終端能源需求將達到7.9億噸標準煤。
建筑部門能源需求主要用于采暖、生活熱水、炊事和各種電器設備的電能消耗。公共建筑將大量采用集中供熱、先進節(jié)能保溫技術，建筑節(jié)能率逐年提高，建筑采暖能耗強度指數(shù)將持續(xù)降低。建筑部門完全脫碳的難點在于供暖與炊事，尤其在季節(jié)性和每日變化的情況下，峰值熱需求相當大。一方面可以通過集中空調系統(tǒng)供暖、電力烹飪等技術實現(xiàn)建筑電氣化；另一方面通過燃氫鍋爐和燃料電池等方式與分布式風光等可再生能源結合逐步打造零碳建筑。根據(jù)國際氫能委員會的研究，對于現(xiàn)有天然氣為供能基礎的建筑，到2030年通過燃氫鍋爐供暖方式相比于熱泵更具有經(jīng)濟性。尤其管網(wǎng)與電解水制氫技術結合，可以實現(xiàn)儲能與更有效的需求波動管理，支撐清潔氫的推廣應用。此外，對于部分公共及商業(yè)建筑等，燃料電池熱電聯(lián)產與熱泵將是適合的零碳解決方案。2060年預計20%天然氣供暖需求被純氫替代，剩余需求可以通過一定比例的摻氫實現(xiàn)脫碳，預計2060年建筑供熱供電領域氫氣消費量將達到585萬噸。
在氫發(fā)電領域，隨著可再生能源裝機規(guī)模的快速擴展，摻氫燃氣輪機和燃氫輪機技術的成熟以及固體氧化物燃料電池(SOFC)技術的進步，氫作為儲能和調峰電源的需求將得到釋放，尤其作為季節(jié)性儲能可顯著提升波動性可再生能源的消納規(guī)模。電解槽可以設計為一種靈活的需求側調節(jié)工具，一方面通過分布式促進電力系統(tǒng)負荷靈活調整，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定；另一方面為高比例可再生能源發(fā)電波動性提供消納途徑，絕大多數(shù)富余電力以氫氣形式流向交通和工業(yè)等部門，不足10%可再生氫通過以電力形式回到電網(wǎng)。預計2060年，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬噸。
3 我國低碳清潔氫供給結構展望
氫氣可以采用多種工藝和能源制取，為表述方便，業(yè)界經(jīng)常以顏色進行區(qū)分，諸如灰氫、藍氫、綠氫等。但是，上述分類方法難以對所有制氫工藝進行明確量化的區(qū)分，即使針對同一制氫工藝(如電解水制氫)也很難體現(xiàn)為一種顏色。因此，隨著各國碳中和目標的提出，基于生命周期溫室氣體排放方法客觀量化定義不同制氫方式逐步為業(yè)界所認可。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟提出的團體標準《低碳氫、清潔氫與可再生氫標準與評價》，制取單位氫氣溫室氣體排放量≤14.51 kgCO2eq/kgH2的氫氣為低碳氫，制取單位氫氣溫室氣體排放量≤4.9 kgCO2eq/kgH2的氫氣為清潔氫，可再生氫同時要求制氫能源為可再生能源。簡單來講，可再生氫與清潔氫與通俗意義上的“綠氫”大體相當，低碳氫與“藍氫”大體相當。
隨著深度脫碳的需求增加和低碳清潔氫的經(jīng)濟性提升，氫能供給結構將從化石能源為主的非低碳氫逐步過渡到以可再生能源為主的低碳清潔氫，助力以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設。
從時間來看，2030年，我國非化石能源占一次能源消費比重將超過25%，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到(12～20)億千瓦。如果取中位數(shù)16億千瓦，按照可再生能源電解水制氫5%比例配置，裝機規(guī)模有望達到80 GW，可再生氫產量500萬噸/年，占氫氣年度總需求的13%。考慮到電解槽滲透率和利用負荷的提升，2035年，我國可再生氫產量有望達到1500萬噸/年。與此同時，化石能源制氫將逐步配套碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術，與可再生氫為代表的清潔氫共同成為我國氫源供應主體。預計到2060年我國電解槽裝機有望達到500 GW，可再生氫產量提升至1億噸 ，占氫氣年度總需求的80%，如圖7所示。
從結構來看，2030年碳達峰時，可再生氫與清潔氫占比尚不足20%，新增氫氣需求以可再生能源制氫為主，但存量氫氣的減碳工作更需引起重視，以CCUS技術為代表的技術需要規(guī)?；渴?，尤其對于現(xiàn)有大規(guī)模煤制氫項目其二氧化碳排放濃度高達90%，易于捕集和利用。隨著可再生能源制氫達到規(guī)模生產和具備成本競爭力，其還可以進一步轉化為其他能源載體，如氨、甲醇、甲烷和液態(tài)碳氫化合物等。
從碳減排來看，通過低碳清潔氫供給體系的建立，2060年可減排二氧化碳排放量約17億噸，約占當前我國能源活動二氧化碳總排放量的17%。分部門來看，到2060年，交通部門、建筑與發(fā)電部門用氫需求幾乎全部由清潔氫供給，交通部門清潔氫可減排CO2量約4.6億噸，超過當前交通部門碳排放量40%，建筑與發(fā)電部門清潔氫CO2減排量約1.4億噸。工業(yè)部門清潔氫提供至少66%用氫需求，低碳氫供給量占比約26%，工業(yè)部門低碳清潔氫CO2減排量約11億噸，約占目前工業(yè)部門碳排放量28%。
4 結 語
本文基于發(fā)達國家氫能戰(zhàn)略中氫能在終端領域的應用需求，結合中國國情和碳中和愿景，通過LEAP模型進行情景模擬，對我國工業(yè)、交通、建筑與發(fā)電領域進行低碳清潔氫應用前景與需求預測，得到以下結論。
（1）氫能在終端能源體系的需求：為了實現(xiàn)碳達峰碳中和的目標，在2030年碳達峰情景下，我國氫氣的年需求量將達到3715萬噸，在終端能源消費中占比約為5%。在2060年碳中和情景下，我國氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費中占比約為20%。其中，工業(yè)領域用氫占比仍然最大，約7794萬噸，占氫總需求量60%；交通運輸領域用氫4051萬噸，建筑領域用氫585萬噸，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬噸。
（2）氫能供給體系結構：隨著深度脫碳的需求增加和低碳清潔氫的經(jīng)濟性提升，氫能供給結構將從化石能源為主的非低碳氫逐步過渡到以可再生能源為主的低碳清潔氫。2030年我國非化石能源占一次能源消費比重將超過25%，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到(12～20)億千瓦，可再生氫產量500萬噸/年，新增氫氣需求以可再生能源制氫為主；預計到2060年我國電解槽裝機有望達到500 GW，可再生氫產量提升至1億噸，占氫氣年度總需求的80%。
（3）低碳清潔氫碳減排作用：通過低碳清潔氫供給體系的建立，2060年可減排二氧化碳排放量約17億噸，約占當前我國能源活動二氧化碳總排放量的17%。
