碳中和目標下廣東省氫能角色及利用方式研究

王 美，趙靜波，于文益

(1.廣東省技術經濟研究發展中心，廣東廣州 510070；2.廣東省能源研究會，廣東廣州 510070)

2020 年9 月和12 月，習近平主席分別在第七十五屆聯合國大會和氣候雄心峰會上宣布將提高國家自主貢獻力度，提出到2030 年，我國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12 億kW 以上，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［1-2］。2020 年12 月，《中共廣東省委關于制定廣東省國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》明確提出將積極發展風電、核電、氫能等清潔能源，建設清潔低碳、安全高效、智能創新的現代能源體系，倡導簡約適度、綠色低碳的生活方式，開展綠色生活創建活動，制定實施碳排放達峰行動方案，推動碳排放率先達峰［3］。能源活動是我國最主要的CO2排放源，我國能源活動的CO2排放量占全國CO2排放總量中占90%左右［4］。研究一致認為，以清潔能源為主導的能源轉型革命是實現我國減排目標且化解國內環保壓力的最有效途徑［5］，碳中和目標下，氫能作為最具潛力的二次清潔能源也越來越受到重視。近年來，有關氫能技術及產業發展方面開展了許多相關研究，主要研究重點聚焦在制氫、儲氫技術及氫燃料電池汽車產業發展方面。

制氫技術方面，李建林等［6］梳理分析了不同制氫路徑的技術原理、技術成熟度、制氫成本、低碳環保性，提出在碳中和目標下，大力發展電解水制氫技術，由“灰氫”到“綠氫”轉化的重要意義；曹蕃等［7］綜述了近二十年來風電耦合制氫技術發展現狀，并對網型和離網型風電耦合制氫技術的應用效果和經濟性進行評價；李諺斐等［8］重點分析可再生能源制氫的經濟性和可行性，并與其他能源利用形式進行比較。

儲氫技術方面，李璐伶等［9］對比了物理儲氫、化學儲氫等不同儲氫技術的安全性、儲氫密度及儲氫成本，并簡要展望儲氫技術今后的研究方向；陳良等［10］全面介紹了以液氫為核心的氫燃料供應鏈未來發展模式，并對液氫氫能供應鏈各個環節特點及未來發展趨勢進行了分析。

氫燃料電池技術方面，劉應都等［11］較全面分析了質子交換膜、電催化劑等技術研究進展及發展態勢，提出面向2035 年我國氫燃料電池技術系統發展方向；宋顯珠等［12］分析了我國氫能燃料電池關鍵材料發展現狀及存在的問題，提出了推進我國氫燃料電池材料發展的相關建議。

氫能產業方面，景春梅等［13］論述了國際氫能產業發展態勢，我國氫能產業發展現狀、特點及制約因素，提出了促進我國氫能產業發展相關建議；沈浩明［14］分析了我國氫燃料電池汽車產業發展政策、發展現狀及存在的問題，提出了促進燃料電池汽車產業發展的政策建議。

由以上文獻綜述可知，已有氫能相關研究中對于氫能在實現碳中和目標中承擔何種角色，以及如何因地制宜拓展氫能利用方式的研究相對較少。因此，本文在闡述廣東省能源發展及碳排放現狀、分析氫能特點及發展趨勢、總結各國利用氫能思路及政策的基礎上，認為在碳中和目標下，氫能在廣東省未來能源結構中將發揮重要作用，對未來一段時期廣東省拓展氫能利用方式提出建議，為廣東省工業、交通、建筑等領域深度脫碳，實現低碳發展提供參考。

1 廣東省能源發展及碳排放現狀

在增速放緩，結構不斷優化的經濟新常態下，廣東省能源消費增速逐步放緩，能源供需矛盾得到極大緩和。根據《廣東省統計年鑒》，廣東省自2000 年以來一次能源消費總量及增長情況如圖1 所示。由圖1 可以看出，廣東省能源消費總量持續增長，從2000 年的9 448 萬tce 增長至2019 年的34 142 萬tce，但能源消費增速自2005 年達到峰值后持續回落，“十三五”前四年能源消費年均增速僅為3.2%。

圖1 廣東省一次能源消費總量增長情況

根據《中國統計年鑒（2020 年）》，2019 年全國及重點省份一次能源結構及能源效率如圖2 所示（全國一次能源結構及效率數據不包括香港特別行政區、澳門特別行政區、臺灣省）。從能源結構來看，廣東省一次能源消費結構中煤炭、石油、天然氣、一次電力及其他能源比重分別為34.7%、27.5%、8%、29.8%，清潔低碳能源（天然氣、一次電力及其他能源）比重達37.8%，處于全國領先水平。從能源利用效率來看，2019年廣東省單位GDP能耗強度為0.352tce/萬元（2015 年可比價），遠低于全國平均水平，但與全國領先水平江蘇相比尚有一定差距。

圖2 全國及粵蘇浙魯一次能源結構及效率對比

根據廣東省能源消費總量和消費結構，參考IPCC 碳排放系數和中國區域電網平均二氧化碳排放因子，計算出各年度廣東省二氧化碳排放總量，廣東省全省二氧化碳排放總量自2010 年的47 768 萬t增加至2019 年的55 600 萬t，年均增長約1.7%，如圖3 所示。

圖3 2010—2019 年廣東省碳排放總量

2 氫能特點及發展形勢

氫是最豐富的元素之一，通常以水、碳氫化合物形式存在。氫氣可從水、化石燃料等含氫物質中制取，是重要的工業原料和能源載體。氫作為能源載體具有能量密度大、轉化效率高、儲量豐富、適用范圍廣、環保無污染等特點，是一種零污染、零排放的二次清潔能源，被譽為21 世紀“終極能源”［15］。

國際能源署（IEA）2020 年6 月發布的《全球氫能進展》報告指出，全球氫能發展整體勢頭良好，氫能發展正面臨前所未有的政治機遇。截止到2019 年底，全球電解水制氫裝機容量從2010 年不足1MW 增加至25MW，此外預計有數百MW 電解水制氫項目將在2020 年后開始運營；全球燃料電池汽車保有量達到25 210 輛，年銷售量達12 350 輛；全球在運加氫站共470 個，同比增長20%以上，其中日本113 個，德國81 個，美國64 個，中國61 個。

全球范圍內，特別是主要發達國家對氫能的政策支持力度也在快速加強，歐盟、美國、日本等更是將氫能上升到國家能源戰略高度，氫能開發與利用已成為發達國家能源體系中的重要組成部分。

2020 年11 月，美國能源部發布了《氫能項目計劃2020》，為美國的氫能研究、開發和示范應用提供戰略支撐。該計劃提出美國能源部將協同下屬所有能源部門，合作推動氫能產業發展，預測到2050年美國本土氫能需求將增至4 100 萬t/a，是當前消費的4 倍，氫能將占美國總能源消費需求的14%。

2020 年7 月，歐盟委員會提出了推動氫能發展的一攬子政策規劃《推動建立氣候中立歐洲的氫能戰略》，該戰略計劃通過建立產業發展聯盟、加大政策扶植力度等一攬子政策分“三步走”大力促進可再生能源制氫產業發展，計劃2030 年電解槽制氫產能提升至40 GW，產量達1 000 萬t，成為“歐洲能源系統固有組成部分”，2030 年后爭取實現可再生能源制氫大規模部署在各個難以脫碳化發展的行業中。

2017 年12 月，日本發布《氫能源基本戰略》，強調日本領先世界實現“氫能社會”的重要性并部署相關具體政策。該戰略的主要目的是實現氫能穩定低成本利用、研發氫供應鏈條國際化及氫能利用關鍵技術、普及和擴大氫燃料電動汽車應用、探索工業生產過程中氫能利用等。具體發展目標包括到2030 年，建成氫能源商業化供應鏈，實現30 萬t 采購量并將成本控制在30 日元/Nm3；氫燃料電動車達到80 萬輛，加氫站實現商業化自主發展。

我國十分重視氫能利用及產業發展，2021 年國家“十四五”發展規劃中，氫能作為戰略性新興產業，被正式納入“前瞻謀劃未來產業”中。截止到2020年6 月，全國范圍內省及直轄市氫能產業規劃超過10 個，地級市及區縣級的氫能專項規劃超過30 個，廣東省內包括廣州、佛山、茂名等均結合自身產業特色出臺了氫能產業規劃。根據《中國氫能產業發展報告2020》［16］，預計到2050 年氫能占終端能源消費比例達10%，氫燃料電池汽車保有量3 000 萬輛，氫氣需求量6 000 萬t。

3 廣東省氫能利用總體思路研究

3.1 利用現狀

廣東省高度重視氫能利用及產業發展，是國內較早布局氫能產業的省份，氫能利用及產業發展在全國居于領先水平。主要體現在以下幾個方面：一是產業鏈布局已具雛形，啟信寶數據顯示，廣東省已引入培育超過500 家氫能產業相關企業，初步形成了涵蓋氫氣制取、運輸、加注，氫燃料電池核心部件和動力總成，整車集成及氫基礎設施的全鏈條產業體系雛形。二是推廣應用規模領先全國，根據《廣東省培育新能源戰略性新興產業集群行動計劃（2021—2025 年）》，截止到2019 年底，全省建成投運加氫站34 座，數量約占全國三分之一左右；累計推廣燃料電池汽車數量近2 800 輛，累計運營里程規模超過3 000 萬km，推廣數量與運營里程規模均居全國第一。隨著氫能推廣利用不斷深入，相關問題也在逐步顯現。一是氫源保障不足且價格較高。隨著氫能推廣應用規模擴大，氫源保障問題日益凸顯。根據調研，目前廣東在運加氫站氫氣售價普遍高于70 元/kg，全省氫氣產能不足5 000Nm3/h，氫氣供應保障不足及價格高昂是制約廣東氫能利用的主要障礙之一。二是氫源綠色化程度不高。廣東省目前氫源主要依托天然氣重整、甲醇裂解為主的化石能源制氫，化石能源制氫會產生大量二氧化碳排放，碳中和目標下，必須提升氫源綠色化程度。三是氫能應用場景有待拓展。廣東省目前氫能利用主要聚焦于氫燃料電池汽車等交通領域，且尚處于示范應用階段，對全省能源結構調整和碳減排貢獻度不大。

3.2 構建多元化清潔氫能供應體系

解決氫源供應保障能力是推廣氫能利用的當務之急，結合廣東省區域優勢和特色產業優勢及低碳制氫要求，本文建議未來廣東省應優先考慮可再生能源電解水、石化行業副產氫提純等綠色低碳制氫方式，打造多渠道、多元化清潔氫能供應體系。

可再生能源存在著不穩定性和電網兼容等問題，大規模可再生能源投產后，如何解決可再生電力并網及消納問題，成為當前迫切需要解決的問題。可再生能源制氫是將可再生能源通過風機、太陽能光伏、水泵等發電機組轉換成電能，電能通過電解水制氫設備轉換為氫氣，并通過液氫或高壓氫儲運技術，送出到氫能源應用市場。根據《廣東省海上風電發展規劃（2017—2030 年）（修編）》，到2030 年底廣東省將建成投產海上風電裝機容量約3 000 萬kW，按年利用小時數約3 000h，將產生900 億kW.h/a 綠色電力，5kW.h 電力產生1Nm3氫氣，如海上風電全部用于制氫，可產生180 億Nm3綠氫。發展可再生能源制氫，即可解決大規模可再生能源投產后的消納問題，又能為氫能應用市場提供高品質低碳綠氫，實現能源清潔低碳轉型和綠色低碳發展。

近年來，隨著大型石化項目接連落地，廣東省已形成茂湛石化、廣州石化、惠州大亞灣石化、汕潮揭石化四大石化產業基地。石化和化工等工業領域含氫副產品制氫潛力巨大，工業副產氫提純具有明顯成本優勢，屬于資源綜合利用和國家產業政策鼓勵方向，建議廣東省利用石化產業優勢，推動工業副產提純氫規模化發展。以丙烷脫氫為例，廣東省“十四五”期間將建成投產480 萬t 產能，投產后每年可生產大約17.3 萬t 高純氫氣。此外，煉化企業制氫裝置產能規模大，可作為本地及周邊地區“氫氣調峰”裝置，既能保障氫氣充分利用不浪費，并保持裝置運行平穩。

3.3 探索氫能多領域應用發展

碳中和目標下，廣東應充分利用氫能清潔、低碳、靈活等能源特性，積極探索氫能多領域應用發展，減少工業、交通、建筑等領域對化石能源依賴，幫助難以減排領域深度脫碳。

氫能替代助力工業領域深度脫碳。鋼鐵、冶金、石化、水泥等高耗能行業既是碳排放大戶，又是深度脫碳的難點，因為這些行業生產過程中需要大量的高位熱能，而這部分熱能很難用電氣化方式解決，電能替代并不能解決高耗能產業的減碳問題，而氫能替代可能是工業領域深度脫碳的最優解決方案之一。如在鋼鐵和有色金屬冶煉行業，可以采用“氫冶煉”取代“碳冶煉”［17］；在化工行業，氫氣可用于替代生產合成氨、甲醇等化工產品所需化石能源；水泥、陶瓷等行業則可利用氫氣直接燃燒提供熱源，替代化石能源。

國內鋼企龍頭寶武集團作為第一大鋼鐵集團率先發布碳中和的目標，力爭2050 年力爭實現碳中和。發展“氫冶金”技術是實現鋼鐵行業碳中和的重要一環。以寶武集團湛江鋼鐵為例，待三高爐系統建成后，鐵水產能規模將達到122 5 萬t，富氫高爐有望用氫氣完全替代噴吹煤并替代約10%焦炭用量，則“以氫代煤”可減少噴吹煤使用量160 萬t、焦炭使用量40 萬t，減少碳排放量422 萬t，減排幅度約13.5%。

探索氫能在交通領域多元化應用。近年來廣東省一直是我國交通運輸業中排放量最高的省份，約占全國交通運輸業二氧化碳排放量的9.56%［18］，交通運輸行業是廣東省碳排放三大行業之一，是應對氣候變化的重點領域，交通運輸業低碳轉型是實現碳中和目標的重要舉措［19-20］。相比于純電動汽車，氫燃料電池汽車具有加注方便快捷、續航里程長等優點，氫燃料電池汽車和鋰電池電動汽車未來有望形成互補共存的局面，共同促進廣東省交通領域低碳轉型。具體而言，道路交通領域可重點推廣氫燃料電池汽車在物流、重卡、公交車領域的應用；非道路交通領域，可重點推廣水上運輸船舶、港口、工程機械等領域的氫能應用。按照相關規劃，2030年我國氫燃料電池車輛保有量有望達到200 萬輛，按燃油車輛平均碳排放量2.7t/車.年計算，氫燃料電池車輛替代僅在道路交通領域可減少碳排放540萬t/a，根據廣東省交通碳排放占全國比例，2030 年廣東省氫燃料電池車輛替代在道路交通領域預計可實現51.6 萬t/a 碳減排量。

天然氣摻氫提升燃氣“綠色化”。天然氣摻混氫一直是國內外氫氣運輸和規模化利用的重要研究方向，研究認為，用于家用燃氣灶具的燃氣最大可摻混23%的氫氣，用于燃氣輪機的燃氣最大可摻混5%的氫氣，但通過采取調整措施和改造升級可以使其摻氫百分比提升至15%［21］。廣東省天然氣需求持續上升，對外依存度較高，根據《廣東省能源發展“十四五”規劃》（征求意見稿），到2025 年廣東省天然氣消費總量預測將達到450 億Nm3，其中自產氣僅占13%左右。廣東省天然氣管網比較完善，管道規模大，分布范圍廣，通過向已有的天然氣管道摻入氫氣，有助于提升天然氣“綠色化”、化解天然氣供應壓力，并有助于實現氫能規模化應用。預計到2030 年，廣東省天然氣消費總量有望達到600 億Nm3，按摻氫比例2%測算，按熱值折算可替代約4 億Nm3天然氣，減少碳排放量86.5 萬t。

4 主要結論

（1）廣東省能源消費總量持續增長，從2000年的9 448 萬tce 增長至2019 年的34 142 萬tce，但能源消費增速自2005 年達到峰值后持續回落，“十三五”前四年能源消費年均增速僅為3.2%；全省碳排放總量自2010 年的47 768 萬t 增加至2019年的55 600 萬t，年均增長約1.7%。

（2）廣東省氫能利用及產業發展在全國居于領先水平，氫能產業鏈布局已具雛形，氫能推廣應用規模領先全國，但隨著氫能推廣利用不斷深入，廣東省氫能利用也存在氫源保障不足、綠氫比例偏低、應用場景有待拓展等問題。結合廣東省產業技術優勢及低碳制氫要求，建議廣東省構建可再生能源電解水制氫、石化行業副產氫提純等多元化清潔氫能供應體系。

（3）碳中和目標下，氫能開發利用在保障能源安全及低碳轉型中扮演重要角色。建議廣東省積極探索氫能在工業領域深度脫碳、交通行業低碳轉型、天然氣摻氫等領域應用發展，減少工業、交通、建筑等領域對化石能源依賴，幫助難以減排領域深度脫碳。