“雙碳”目標下我國低碳清潔氫能進展與展望
來源：儲能科學與技術 2021-09-27
隨著全球氣候變暖壓力增大以及后疫情時代綠色經濟復蘇加速，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 年實現零碳排放目標。2020 年中國國家主席習近平在第 75 屆聯合國大會期間提出，中國二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和。
從各個國家地區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創新戰略聯盟（簡稱“中國氫能聯盟”）牽頭率先發布《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點成為實現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 攝氏度能源轉型的支柱，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、工業能源、建筑供暖、發電等領域實現深度脫碳，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模部署。
德國2020 年通過國家氫能戰略，為實現碳中和目標，確認了“綠氫”的優先地位，同時明確了氫能的主要應用領域：船運、航空、重型貨物運輸、鋼鐵和化工等行業。并計劃在 2030 年建成 5 GW 電解“綠氫”產能，2040 年前建成 10 GW。
全球主要發達經濟體已先后制定氫能國家戰略或頂層設計，在氫能產業和技術的戰略布局走在了前面。而作為全球最大碳排放國，中國的碳排放在全球占比接近 30%，碳中和目標實現面臨嚴峻挑戰。
2021 年作為“十四五”計劃的開局之年，明確我國在碳中和目標下氫能產業應用重點領域和分階段低碳清潔氫能發展目標是關鍵。因此，本文對交通、工業、建筑與發電等領域的氫能進行需求分析測算，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，以期為氫能發展提供參考，對我國氫能產業的發展提供指導。
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劃系統 LEAP 模型（Long-range Energy Alternatives Planning System）的自下而上分析方法，利用現有統計和預測數據，對人口、城鎮化進程、以及工商業、建筑、交通和農業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的變化趨勢，同時根據發展需求設置不同情景，依此分析預測 2060 年前的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、建筑等部門，模型的運行需要大量的統計數據以及預測性數據的輸入。這些數據主要來源于中國統計年鑒、中國能源統計年鑒數據、主要行業研究機構和領先國家相關預測，其中經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據，能效等技術數據著眼于相應技術或領域的國際領先水平，如圖 1 所示。
2 我國碳中和情景下氫能需求預測
繼“雙碳”目標提出以后，2020 年 12 月 12 日，國家主席習近平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、太陽能發電總裝機容量將達到12 億千瓦以上。
這為我國以新發展理念為引領，在推動高質量發展中促進經濟社會發展全面綠色轉型指明了方向。作為全球第二大經濟體，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、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，我國經濟持續發展，2020 年人均 GDP 連續第二年超過 1 萬美元，脫貧攻堅戰取得了全面勝利。作為負責任大國，我國一直積極參與應對氣候變化工作。2019 年與 2005 年相比，我國單位國內生產總值二氧化碳排放下降 48.1%，提前超額完成對國際社會承諾的單位國內生產總值二氧化碳排放 2020 年比 2005 年下降 40%~45%的目標。
碳達峰碳中和目標的提出，意味著我國要用不到 10 年時間實現碳達峰、用不到 30 年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約 99 億噸，占我國二氧化碳排放總量的 85%。根據科技部中國 21 世紀議程管理中心統計數據顯示，能源活動中，電力領域二氧化碳排放約 40 億噸，工業領域二氧化碳排放約 36.1 億噸（其中鋼鐵、水泥與化工行業的二氧化碳排放占 61%），建筑與交通領域二氧化碳排放分別約為 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”初期實現碳達峰，溫室氣體排放峰值不超過 130 億噸，能源活動二氧化碳排放峰值不超過 105 億噸，碳匯約 9 億噸；2060 年實現碳中和時，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。
我國要實現碳達峰碳中和的目標，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發展經濟體系的指導意見》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、光伏發電發展，因地制宜發展水能、地熱能、海洋能、氫能、生物質能、光熱發電。
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年煤炭消費實現零增長，電力生產碳排放率先達峰；2030 年，非化石能源占一次能源消費比重將約 30%，風電、太陽能發電總裝機容量將達到 12 億~16 億千瓦，電能占我國終端能源消費比重約 35%；2050 年交通行業力爭實現凈零排放，2060 年電能占我國終端能源消費比重將達到 70%。
2021 年 3 月 15 日，中央財經委員會第九次會議提出要把碳達峰、碳中和納入生態文明建設整體布局，要構建以新能源為主體的新型電力系統。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。氫則通過與電協同，推動高比例可再生能源發展，并實現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到 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，發電與電網平衡用氫 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達國家，隨著中國基本實現社會主義現代化，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交通領域零排放。交通運輸部門要實現碳中和，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。
道路交通。以氫燃料電池汽車協同純電動汽車是道路交通全面實現電氣化實現深度脫碳的關鍵。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，占全部中重型商用車占比接近65%。乘用車領域，2060 年燃料電池汽車市場占比有限，約15%左右。結合燃料電池與電動化技術，道路交通有望在 2050 年前實現凈零排放。2060 年道路交通氫氣消費量 3570 萬噸。
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。
考慮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，但后期隨著氫燃料存儲優勢逐步顯現，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%的船運能源消耗通過氫燃料電池技術，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 工業部門
工業是當前脫碳難度最大的終端部門，化石能源不僅作為工業燃料，還是重要的工業原料。工業燃料通過電氣化可實現部分脫碳，但是作為工業原料部分，直接電氣化的空間十分有限。在氫冶金、合成燃料、工業燃料等行業增量需求的帶動下，2060 年工業部門氫需求量將到 7794 萬噸，具體如圖 6 所示。
傳統工業。氫氣是合成氨、合成甲醇、石油精煉和煤化工行業中的重要原料，還有小部分副產氣作為回爐助燃的工業燃料使用。目前，工業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化肥和工業兩大方面，其中農業肥料占 70%左右。
目前，我國合成氨行業步入微量增長階段。隨著肥效提高和有機肥替代，未來合成氨在農業消費量將下降至 60%。非農業領域消費量受環保、新材料、專用化學品等工業消費拉動，需求量增長，但合成氨整體呈穩中有降趨勢。合成甲醇方面，傳統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，石油煉制行業的氫氣消費量有望持續增加。2030 年以后，由于油品標準達到較高水平和交通部門能源效率和電氣化率持續提升，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，現有工業氫氣需求量將呈現先增后降趨勢，2060 年降低至 2800 萬噸。
新工業原料。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中發揮重要作用。綠色轉型下鋼鐵行業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、水運及工業領域傳統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%。
工業燃料。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，需求量達到 1980 萬噸。
2.2.3 建筑與發電部門
隨著我國城鎮化水平不斷提高，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、先進節能保溫技術，建筑節能率逐年提高，建筑采暖能耗強度指數將持續降低。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供暖、電力烹飪等技術實現建筑電氣化，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。根據國際氫能委員會的研究，對于現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濟性。尤其管網與電解水制氫技術結合，可以實現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建筑等，燃料電池熱電聯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。
氫發電領域。隨著可再生能源裝機規模的快速擴展，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，尤其作為季節性儲能可顯著提升波動性可再生能源的消納規模。電解槽可以設計為一種靈活的需求側調節工具，一方面同過分布式促進電力系統負荷靈活調整，保障電網安全穩定，另一方面為高比例可再生能源發電波動性提供消納途徑，絕大多數富余電力以氫氣形式流向交通和工業等部門，不足 10%可再生氫通過以電力形式回到電網。預計 2060 年，發電與電網平衡用氫 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，業界經常以顏色進行區分，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分，即使針對同一制氫工藝（如電解水制氫）也很難體現為一種顏色。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界所認可。
根據中國氫能聯盟提出的團體標準《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 kg CO2 eq/kg H2的氫氣為低碳氫，制取單位氫氣溫室氣體排放量≤4.9 kg CO2 eq/kg H2 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、太陽能發電總裝機容量將達到 12 億~20 億千瓦。如果取中位數 16 億千瓦，按照可再生能源電解水制氫 5%比例配置，裝機規模有望達到 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模化部署，尤其對于現有大規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模生產和具備成本競爭力，其還可以進一步轉化為其它能源載體，如氨、甲醇、甲烷和液態碳氫化合物等。
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%，建筑與發電部門清潔氫 CO2 減排量約 1.4 億噸。工業部門清潔氫提供至少 66%用氫需求，低碳氫供給量占比約 26%，工業部門低碳清潔氫 CO2減排量約 11 億噸，約占目前工業部門碳排放量 28%。
4 結論
（1）氫能在終端能源體系的需求：為了實現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，發電與電網平衡用氫 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、太陽能發電總裝機容量將達到 12 億~20 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%。
