中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 2020年是氫能發(fā)展加速之年。中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間提出，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。應(yīng)對(duì)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(qū)動(dòng)力。但我國(guó)目前在碳中和戰(zhàn)略下氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)和路徑尚不明確，本文應(yīng)用情景分析方法和長(zhǎng)期能源替代規(guī)劃(LEAP)模型的計(jì)算，對(duì)我國(guó)交通、工業(yè)、建筑與發(fā)電等領(lǐng)域的氫能進(jìn)行需求分析測(cè)算，研究結(jié)果表明，為實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)，我國(guó)氫氣的年需求量將從目前的3342萬(wàn)噸增加至1.3億噸左右，在終端能源體系中占比達(dá)20%。隨著深度脫碳需求的增加和低碳清潔氫經(jīng)濟(jì)性的提升，氫能在工業(yè)、交通、建筑與發(fā)電等領(lǐng)域逐步滲透，氫能供給結(jié)構(gòu)從化石能源為主的非低碳?xì)渲鸩竭^(guò)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(dāng)前我國(guó)能源活動(dòng)二氧化碳總排放量的17%。
關(guān)鍵詞 碳中和；低碳?xì)洌磺鍧崥洌粴淠?；展?
隨著全球氣候變暖壓力增大以及后疫情時(shí)代綠色經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇加速，氫能憑借其低碳清潔、能量密度高、可儲(chǔ)存、來(lái)源廣等特點(diǎn)，成為新時(shí)代能源低碳轉(zhuǎn)型的重要抓手。2019年底，在西班牙舉行的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約締約方大會(huì)上，77個(gè)國(guó)家承諾2050年實(shí)現(xiàn)零碳排放目標(biāo)。2020年中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間提出，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。從各個(gè)國(guó)家地區(qū)提出碳中和目標(biāo)來(lái)看，應(yīng)對(duì)氣候變化的脫碳愿景逐步成為推動(dòng)氫能大規(guī)模部署的最大驅(qū)動(dòng)力，我國(guó)于2020年12月由中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟(簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)氫能聯(lián)盟”)牽頭率先發(fā)布《低碳?xì)洹⑶鍧崥渑c可再生氫氣標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)》。低碳清潔氫由于碳排放低等優(yōu)點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)碳中和路徑的重要手段。
國(guó)際氫能委員會(huì)將氫能視為全球變暖控制在2 ℃能源轉(zhuǎn)型的支柱，預(yù)測(cè)到2050年，氫能將在全球終端能源需求中占比18%，在交通運(yùn)輸、化工原料、工業(yè)能源、建筑供暖、發(fā)電等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)深度脫碳，將減少60億噸二氧化碳排放，消納和存儲(chǔ)500太瓦時(shí)的電力來(lái)促進(jìn)可再生能源大規(guī)模部署。德國(guó)2020年通過(guò)國(guó)家氫能戰(zhàn)略，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，確認(rèn)了“綠氫”的優(yōu)先地位，同時(shí)明確了氫能的主要應(yīng)用領(lǐng)域：船運(yùn)、航空、重型貨物道路運(yùn)輸、鋼鐵和化工等行業(yè)。并計(jì)劃在2030年建成5 GW電解“綠氫”產(chǎn)能，2040年前建成10 GW。
全球主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體已先后制定氫能?chē)?guó)家戰(zhàn)略或頂層設(shè)計(jì)，在氫能產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的戰(zhàn)略布局走在了前面。而作為全球最大碳排放國(guó)，中國(guó)的碳排放量占全球的近30%，實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2021年作為“十四五”規(guī)劃的開(kāi)局之年，明確我國(guó)在碳中和目標(biāo)下氫能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用重點(diǎn)領(lǐng)域和分階段低碳清潔氫能發(fā)展目標(biāo)是關(guān)鍵。因此，本文對(duì)交通、工業(yè)、建筑與發(fā)電等領(lǐng)域的氫能需求進(jìn)行分析測(cè)算，在此基礎(chǔ)上提出低碳清潔氫供給結(jié)構(gòu)展望，最后提出我國(guó)氫能關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方向，以期為氫能發(fā)展提供參考，對(duì)我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供指導(dǎo)。
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(zhǎng)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(jì)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)人口、城鎮(zhèn)化進(jìn)程以及工商業(yè)、建筑、交通和農(nóng)業(yè)等各部門(mén)中不同技術(shù)轉(zhuǎn)換、能源產(chǎn)品生產(chǎn)以及終端用能特性進(jìn)行分析，推演并預(yù)估能源消費(fèi)終端中消耗的能源類(lèi)型、消費(fèi)方式、能源效率以及年活動(dòng)水平等參數(shù)的變化趨勢(shì)，同時(shí)根據(jù)發(fā)展需求設(shè)置不同情景，依此分析預(yù)測(cè)2060年前氫能的消費(fèi)總量及結(jié)構(gòu)。
模型將終端能源消費(fèi)劃分為交通、工業(yè)、建筑等部門(mén)，模型的運(yùn)行需要大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)性數(shù)據(jù)的輸入。這些數(shù)據(jù)主要來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒、中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)、主要行業(yè)研究機(jī)構(gòu)和領(lǐng)先國(guó)家相關(guān)預(yù)測(cè)，其中經(jīng)濟(jì)社會(huì)預(yù)測(cè)模型使用了中國(guó)政府或大型國(guó)際組織的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、能效等技術(shù)數(shù)據(jù)著眼于相應(yīng)技術(shù)或領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先水平，如圖1所示。
2 我國(guó)碳中和情景下的氫能需求預(yù)測(cè)
繼“雙碳”目標(biāo)提出以后，2020年12月12日，習(xí)近平主席在氣候雄心峰會(huì)上進(jìn)一步宣布：到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。這為我國(guó)以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，在推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展中促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型指明了方向。作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，宣布碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)愿景彰顯了我國(guó)攜手各國(guó)積極應(yīng)對(duì)全球性挑戰(zhàn)、共同保護(hù)地球家園的雄心和決心，為我國(guó)參與全球氣候治理、堅(jiān)持多邊主義、構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體展現(xiàn)了大國(guó)擔(dān)當(dāng)。
2.1 碳中和情景下的測(cè)算邊界
改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，2020年人均GDP連續(xù)第二年超過(guò)1萬(wàn)美元，脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)取得了全面勝利。作為負(fù)責(zé)任的大國(guó)，我國(guó)一直積極參與應(yīng)對(duì)氣候變化工作。與2005年相比，2019年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量下降48.1%，提前超額完成對(duì)國(guó)際社會(huì)的承諾(單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放2020年比2005年下降40%～45%)。雙碳目標(biāo)的提出，意味著我國(guó)要用不到10年的時(shí)間實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、用不到30年的時(shí)間完成從碳達(dá)峰向碳中和過(guò)渡。美國(guó)和歐洲從碳達(dá)峰向碳中和過(guò)渡的計(jì)劃周期分別是43年和71年。與之相比，我國(guó)碳達(dá)峰碳中和的速度更快、力度更大、任務(wù)更艱巨，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的必由之路。
2020年，我國(guó)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(dòng)二氧化碳排放量約99億噸，占我國(guó)二氧化碳排放總量的85%。根據(jù)科技部中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，能源活動(dòng)中，電力領(lǐng)域二氧化碳排放量約40億噸，工業(yè)領(lǐng)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(lǐng)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(guó)21世紀(jì)議程管理中心研究，預(yù)計(jì)我國(guó)將于“十五五”初期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，溫室氣體排放量峰值不超過(guò)130億噸，能源活動(dòng)二氧化碳排放量峰值不超過(guò)105億噸，碳匯約9億噸；2060年實(shí)現(xiàn)碳中和時(shí)，我國(guó)的溫室氣體排放量不超過(guò)15億噸，碳匯約15億噸，其中，能源活動(dòng)二氧化碳排放量約5億噸，如圖3所示。
我國(guó)要實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，能源領(lǐng)域的綠色轉(zhuǎn)型起著至關(guān)重要的作用。國(guó)務(wù)院《關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出，要完善能源消費(fèi)總量和強(qiáng)度雙控制度，提升可再生能源利用比例，大力推動(dòng)風(fēng)電、光伏發(fā)電發(fā)展，因地制宜發(fā)展水能、地?zé)崮?、海洋能、氫能、生物質(zhì)能、光熱發(fā)電。預(yù)計(jì)2030年和2060年中國(guó)單位GDP能耗分別降至2020年的63%和17%；2025年煤炭消費(fèi)實(shí)現(xiàn)零增長(zhǎng)，電力生產(chǎn)碳排放量率先達(dá)峰；2030年，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將約30%，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到(12～16)億千瓦，電能占我國(guó)終端能源消費(fèi)比重約35%；2050年交通行業(yè)力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)凈零排放，2060年電能占我國(guó)終端能源消費(fèi)比重將達(dá)70%。
2021年3月15日，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議提出要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。電力將在碳達(dá)峰碳中和過(guò)程中扮演最重要的角色，可以直接使用，也可以用來(lái)生產(chǎn)氫氣或其他合成燃料。氫則通過(guò)與電協(xié)同，推動(dòng)高比例可再生能源發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)終端部門(mén)的深度脫碳。
2.2 碳中和情景下的氫能需求測(cè)算
在2030年碳達(dá)峰情景下，我國(guó)氫氣的年需求量將達(dá)3715萬(wàn)噸，在終端能源消費(fèi)中占比約為5%，可再生氫產(chǎn)量約500萬(wàn)噸/年，部署電解槽裝機(jī)約80 GW(按照電解槽負(fù)荷 3000小時(shí)/年，制氫效率5千瓦時(shí)/標(biāo)方測(cè)算)。在2060年碳中和情景下，我國(guó)氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費(fèi)中占比約為20%，可再生氫產(chǎn)量約 1 億噸，部署電解槽裝機(jī)至少 500 GW(按照電解槽負(fù)荷 8000小時(shí)/年，制氫效率3.6千瓦時(shí)/標(biāo)方測(cè)算)。其中，工業(yè)領(lǐng)域用氫占比仍然最大，約7794萬(wàn)噸，占?xì)淇傂枨罅?0%；交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫4051萬(wàn)噸，建筑領(lǐng)域用氫585萬(wàn)噸，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬(wàn)噸，如圖4所示。
2.2.1 交通部門(mén)
近年來(lái)，交通運(yùn)輸部門(mén)的碳排放年均增速保持在5%以上，成為溫室氣體排放增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一。交通運(yùn)輸領(lǐng)域碳排放約占全國(guó)終端碳排放15%左右。與此同時(shí)，中國(guó)人均出行距離與千人汽車(chē)保有量仍遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，隨著中國(guó)基本實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化，交通運(yùn)輸部門(mén)能源需求量仍會(huì)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(nèi)燃機(jī)和石油的情況下，能源效率提高并不能實(shí)現(xiàn)交通領(lǐng)域零排放。交通運(yùn)輸部門(mén)要實(shí)現(xiàn)碳中和，將需要道路交通全面電氣化，同時(shí)航空和船運(yùn)逐步替換使用零碳燃料等。在碳中和情景下，預(yù)計(jì)到2060年交通部門(mén)氫消費(fèi)量約4000萬(wàn)噸，如圖5所示。
（1）道路交通。以氫燃料電池汽車(chē)協(xié)同純電動(dòng)汽車(chē)是道路交通全面實(shí)現(xiàn)電氣化實(shí)現(xiàn)深度脫碳的關(guān)鍵。目前中國(guó)汽車(chē)交通電氣化率不足2%。2035年前，在輕型道路交通領(lǐng)域，純電動(dòng)汽車(chē)仍將占據(jù)主流；氫燃料電池汽車(chē)將在中重型和長(zhǎng)途道路交通領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用。預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)加氫站將超過(guò)1000座，燃料電池汽車(chē)保有量超過(guò)10萬(wàn)輛；2035年燃料電池商用車(chē)保有量達(dá)到120萬(wàn)輛，加氫站規(guī)模近萬(wàn)座；到2060年增加至1100萬(wàn)輛，其中，中重型燃料電池商用車(chē)750萬(wàn)輛，在全部中重型商用車(chē)中占比接近65%。乘用車(chē)領(lǐng)域，2060年燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)占比有限，約15%。結(jié)合燃料電池與電動(dòng)化技術(shù)，道路交通有望在2050年前實(shí)現(xiàn)凈零排放。2060年道路交通氫氣消費(fèi)量3570萬(wàn)噸。
（2）船運(yùn)與航空。船運(yùn)領(lǐng)域，通過(guò)動(dòng)力電池和氫燃料電池技術(shù)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)河和沿海船運(yùn)電氣化，通過(guò)生物燃料或零碳?xì)錃夂铣砂钡刃滦腿剂蠈?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)洋船運(yùn)脫碳。我國(guó)在船用動(dòng)力電池技術(shù)、船用直流推進(jìn)技術(shù)、船用充電技術(shù)等方面都具備了比較成熟的技術(shù)水平?？紤]到目前高功率燃料電池技術(shù)尚未成熟，燃料電池船只在早期階段推廣速度相對(duì)滯后于電動(dòng)船，但后期隨著氫燃料存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)，燃料電池船舶市場(chǎng)滲透率將逐步提升至純電動(dòng)船舶水平，預(yù)計(jì)2030年開(kāi)始市場(chǎng)化推廣，到2050年約6%的船運(yùn)能源消耗將通過(guò)氫燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)，氫氣消費(fèi)量接近120萬(wàn)噸，2060年氫氣消費(fèi)量280萬(wàn)噸。航空領(lǐng)域，以生物燃料、合成燃料為主，以氫能等為輔共同實(shí)現(xiàn)脫碳。以氫為燃料的飛機(jī)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(jī)型正在開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)。但在長(zhǎng)距離航空領(lǐng)域，仍須依賴(lài)航空燃油，可通過(guò)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化或零碳?xì)錃馀c二氧化碳合成制得。預(yù)計(jì)2060年氫氣消費(fèi)量200萬(wàn)噸，提供5%左右航空領(lǐng)域能源需求。
2.2.2 工業(yè)部門(mén)
工業(yè)是當(dāng)前脫碳難度最大的終端部門(mén)，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(guò)電氣化可實(shí)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(dòng)下，2060年工業(yè)部門(mén)氫需求量將到7794萬(wàn)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(chǎn)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(lài)化石能源制取，未來(lái)通過(guò)低碳清潔氫替代應(yīng)用潛力巨大。合成氨的需求主要來(lái)自農(nóng)業(yè)化肥和工業(yè)兩大方面，其中農(nóng)業(yè)肥料占70%左右。目前，我國(guó)合成氨行業(yè)步入微量增長(zhǎng)階段。隨著肥效提高和有機(jī)肥替代，未來(lái)合成氨在農(nóng)業(yè)消費(fèi)量將下降至60%。非農(nóng)業(yè)領(lǐng)域消費(fèi)量受環(huán)保、新材料、專(zhuān)用化學(xué)品等工業(yè)消費(fèi)拉動(dòng)，需求量增長(zhǎng)，但合成氨整體呈穩(wěn)中有降趨勢(shì)。合成甲醇方面，傳統(tǒng)領(lǐng)域甲醇消費(fèi)增長(zhǎng)依然較為緩慢，新興的甲醇消費(fèi)的增長(zhǎng)主要受甲醇制烯烴和甲醇燃料的發(fā)展推動(dòng)。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(wú)煙火焰高度、燃料油加氫脫硫、加氫裂化。2019年我國(guó)原油加工量6.52億噸，隨著石油消費(fèi)量的增長(zhǎng)和成品油品質(zhì)要求的不斷提升，石油煉制行業(yè)的氫氣消費(fèi)量有望持續(xù)增加。2030年以后，由于油品標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到較高水平以及交通部門(mén)能源效率和電氣化率持續(xù)提升，煉廠氫氣消費(fèi)將大幅下降。煤化工方面，出于我國(guó)能源安全的考慮，未來(lái)將扮演比較重要的角色。整體來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有工業(yè)氫氣需求量將呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)，2060年將降低至2800萬(wàn)噸。
（2）新工業(yè)原料。氫氣通過(guò)氫冶金、合成航空燃料、合成氨作為運(yùn)輸用燃料等方式，在鋼鐵、航空、船運(yùn)等難以脫碳行業(yè)中發(fā)揮重要作用。綠色轉(zhuǎn)型下鋼鐵行業(yè)具有巨大清潔氫氣需求。2020年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量首次突破10.65億噸，占全球產(chǎn)量50%以上。2030年后，氫氣作為冶金還原劑的需求開(kāi)始釋放，到2060年電爐鋼市場(chǎng)占比有望提升至60%，超過(guò)30%鋼鐵產(chǎn)量采用氫冶金工藝，氫冶金領(lǐng)域氫氣需求量超過(guò)1400萬(wàn)噸。合成燃料方面，氫氣與一氧化碳經(jīng)費(fèi)托合成可生成氫基柴油、航空燃料等，與氮?dú)庠诟邷馗邏汉痛呋瘎┐嬖谙潞铣砂比剂?，從而?duì)重型貨運(yùn)、水運(yùn)及工業(yè)領(lǐng)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(wàn)噸，占船運(yùn)與航運(yùn)能源需求總量的40%。
（3）工業(yè)燃料。氫氣可通過(guò)專(zhuān)用燃燒器提供高品質(zhì)熱源，從而代替部分天然氣和其他化石燃料，彌補(bǔ)電力在該領(lǐng)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?zé)崃?。其中，鋼鐵和水泥熱耗中高品質(zhì)熱占比近87.5%。預(yù)計(jì)2060年氫氣在鋼鐵和水泥高品質(zhì)能耗中將提供35%熱量需求，需求量將達(dá)到1980萬(wàn)噸。
2.2.3 建筑與發(fā)電部門(mén)
隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平不斷提高，建筑部門(mén)的能源需求快速增長(zhǎng)。2020年中國(guó)城市化率達(dá)到63%，預(yù)計(jì)到2030年建筑部門(mén)終端能源需求將達(dá)到7.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。
建筑部門(mén)能源需求主要用于采暖、生活熱水、炊事和各種電器設(shè)備的電能消耗。公共建筑將大量采用集中供熱、先進(jìn)節(jié)能保溫技術(shù)，建筑節(jié)能率逐年提高，建筑采暖能耗強(qiáng)度指數(shù)將持續(xù)降低。建筑部門(mén)完全脫碳的難點(diǎn)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(dāng)大。一方面可以通過(guò)集中空調(diào)系統(tǒng)供暖、電力烹飪等技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑電氣化；另一方面通過(guò)燃?xì)溴仩t和燃料電池等方式與分布式風(fēng)光等可再生能源結(jié)合逐步打造零碳建筑。根據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)的研究，對(duì)于現(xiàn)有天然氣為供能基礎(chǔ)的建筑，到2030年通過(guò)燃?xì)溴仩t供暖方式相比于熱泵更具有經(jīng)濟(jì)性。尤其管網(wǎng)與電解水制氫技術(shù)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與更有效的需求波動(dòng)管理，支撐清潔氫的推廣應(yīng)用。此外，對(duì)于部分公共及商業(yè)建筑等，燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)與熱泵將是適合的零碳解決方案。2060年預(yù)計(jì)20%天然氣供暖需求被純氫替代，剩余需求可以通過(guò)一定比例的摻氫實(shí)現(xiàn)脫碳，預(yù)計(jì)2060年建筑供熱供電領(lǐng)域氫氣消費(fèi)量將達(dá)到585萬(wàn)噸。
在氫發(fā)電領(lǐng)域，隨著可再生能源裝機(jī)規(guī)模的快速擴(kuò)展，摻氫燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)漭啓C(jī)技術(shù)的成熟以及固體氧化物燃料電池(SOFC)技術(shù)的進(jìn)步，氫作為儲(chǔ)能和調(diào)峰電源的需求將得到釋放，尤其作為季節(jié)性?xún)?chǔ)能可顯著提升波動(dòng)性可再生能源的消納規(guī)模。電解槽可以設(shè)計(jì)為一種靈活的需求側(cè)調(diào)節(jié)工具，一方面通過(guò)分布式促進(jìn)電力系統(tǒng)負(fù)荷靈活調(diào)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(dòng)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(mén)，不足10%可再生氫通過(guò)以電力形式回到電網(wǎng)。預(yù)計(jì)2060年，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬(wàn)噸。
3 我國(guó)低碳清潔氫供給結(jié)構(gòu)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(jìn)行區(qū)分，諸如灰氫、藍(lán)氫、綠氫等。但是，上述分類(lèi)方法難以對(duì)所有制氫工藝進(jìn)行明確量化的區(qū)分，即使針對(duì)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(guó)碳中和目標(biāo)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(rèn)可。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟提出的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《低碳?xì)?、清潔氫與可再生氫標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)》，制取單位氫氣溫室氣體排放量≤14.51 kgCO2eq/kgH2的氫氣為低碳?xì)?，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(shí)要求制氫能源為可再生能源。簡(jiǎn)單來(lái)講，可再生氫與清潔氫與通俗意義上的“綠氫”大體相當(dāng)，低碳?xì)渑c“藍(lán)氫”大體相當(dāng)。
隨著深度脫碳的需求增加和低碳清潔氫的經(jīng)濟(jì)性提升，氫能供給結(jié)構(gòu)將從化石能源為主的非低碳?xì)渲鸩竭^(guò)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(shè)。
從時(shí)間來(lái)看，2030年，我國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將超過(guò)25%，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)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(jī)規(guī)模有望達(dá)到80 GW，可再生氫產(chǎn)量500萬(wàn)噸/年，占?xì)錃饽甓瓤傂枨蟮?3%。考慮到電解槽滲透率和利用負(fù)荷的提升，2035年，我國(guó)可再生氫產(chǎn)量有望達(dá)到1500萬(wàn)噸/年。與此同時(shí)，化石能源制氫將逐步配套碳捕獲、利用與封存(CCUS)技術(shù)，與可再生氫為代表的清潔氫共同成為我國(guó)氫源供應(yīng)主體。預(yù)計(jì)到2060年我國(guó)電解槽裝機(jī)有望達(dá)到500 GW，可再生氫產(chǎn)量提升至1億噸 ，占?xì)錃饽甓瓤傂枨蟮?0%，如圖7所示。
從結(jié)構(gòu)來(lái)看，2030年碳達(dá)峰時(shí)，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(shù)為代表的技術(shù)需要規(guī)?；渴?，尤其對(duì)于現(xiàn)有大規(guī)模煤制氫項(xiàng)目其二氧化碳排放濃度高達(dá)90%，易于捕集和利用。隨著可再生能源制氫達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)和具備成本競(jìng)爭(zhēng)力，其還可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其他能源載體，如氨、甲醇、甲烷和液態(tài)碳?xì)浠衔锏取?
從碳減排來(lái)看，通過(guò)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(dāng)前我國(guó)能源活動(dòng)二氧化碳總排放量的17%。分部門(mén)來(lái)看，到2060年，交通部門(mén)、建筑與發(fā)電部門(mén)用氫需求幾乎全部由清潔氫供給，交通部門(mén)清潔氫可減排CO2量約4.6億噸，超過(guò)當(dāng)前交通部門(mén)碳排放量40%，建筑與發(fā)電部門(mén)清潔氫CO2減排量約1.4億噸。工業(yè)部門(mén)清潔氫提供至少66%用氫需求，低碳?xì)涔┙o量占比約26%，工業(yè)部門(mén)低碳清潔氫CO2減排量約11億噸，約占目前工業(yè)部門(mén)碳排放量28%。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文基于發(fā)達(dá)國(guó)家氫能戰(zhàn)略中氫能在終端領(lǐng)域的應(yīng)用需求，結(jié)合中國(guó)國(guó)情和碳中和愿景，通過(guò)LEAP模型進(jìn)行情景模擬，對(duì)我國(guó)工業(yè)、交通、建筑與發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)行低碳清潔氫應(yīng)用前景與需求預(yù)測(cè)，得到以下結(jié)論。
（1）氫能在終端能源體系的需求：為了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)，在2030年碳達(dá)峰情景下，我國(guó)氫氣的年需求量將達(dá)到3715萬(wàn)噸，在終端能源消費(fèi)中占比約為5%。在2060年碳中和情景下，我國(guó)氫氣的年需求量將增至1.3億噸左右，在終端能源消費(fèi)中占比約為20%。其中，工業(yè)領(lǐng)域用氫占比仍然最大，約7794萬(wàn)噸，占?xì)淇傂枨罅?0%；交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫4051萬(wàn)噸，建筑領(lǐng)域用氫585萬(wàn)噸，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬(wàn)噸。
（2）氫能供給體系結(jié)構(gòu)：隨著深度脫碳的需求增加和低碳清潔氫的經(jīng)濟(jì)性提升，氫能供給結(jié)構(gòu)將從化石能源為主的非低碳?xì)渲鸩竭^(guò)渡到以可再生能源為主的低碳清潔氫。2030年我國(guó)非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將超過(guò)25%，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到(12～20)億千瓦，可再生氫產(chǎn)量500萬(wàn)噸/年，新增氫氣需求以可再生能源制氫為主；預(yù)計(jì)到2060年我國(guó)電解槽裝機(jī)有望達(dá)到500 GW，可再生氫產(chǎn)量提升至1億噸，占?xì)錃饽甓瓤傂枨蟮?0%。
（3）低碳清潔氫碳減排作用：通過(guò)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(dāng)前我國(guó)能源活動(dòng)二氧化碳總排放量的17%。
