打造低碳生態經濟新模式—“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”的創新與發展

李子華

（國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095）

我國經濟高速增長過程中，面臨著能源資源和環境制約問題，開發新能源和生態環保是我國兩大國家戰略。“光伏治沙”作為新能源產業的延伸，是將新能源與環保相結合的新業態，可以改善國土利用空間，推動能源綠色轉型、帶動多種產業，以及推動區域生態保護、經濟增長等，帶來社會綜合效益。氫能作為未來國家能源體系的組成部分，是構建綠色低碳產業體系、打造產業轉型升級的新增長點。綠電制氫及其產業鏈延伸作為解決新能源消納、優化能源結構、助力實現我國3 060雙碳目標的有效途徑之一，與“光伏治沙”產業耦合形成低碳生態經濟產業融合新模式，所帶來的減碳效益、生態效益、經濟效益潛力巨大[1]。

1 “光伏治沙—綠電制氫—氫產業延伸”模式現狀

1.1 光伏治沙

建設光伏沙漠生態化電站是目前我國最主要的光伏治沙方式，自2010年以來，甘肅、寧夏、青海、內蒙等地區廣泛應用光伏治沙項目。其主要優勢在于將光伏與沙漠綜合治理、節水農業、產業延伸緊密結合，帶動治理修復、生態種植養殖、觀光旅游等產業，積極探索板上發電、板下修復的新型產業循環模式，以尋求生態與經濟的雙贏效果。

光伏治沙典型路徑是在光伏電站的外圍、邊沿地帶及站內采用沙障措施、生物措施和其它措施如農業節水、封護[1]等，通過機械固沙、化學固沙、植物固沙、建立阻沙柵欄、防沙林帶林網等方式，建立綜合防護系統。在光伏發電板下設置節水滴灌裝置，篩選適宜于當地生長環境的作物種植培育，因地制宜進行土壤改良、保肥保水技術，建立“光伏+農業”模式，從而實現生態效益與經濟效益的共進。光伏電站通過多種措施，有效地緩解了沙丘的移動，固沙作用良好。光伏組件板遮蔽陽光直射，有效降低了地表水的蒸發，還能夠有效降低風速，改善植物的生存環境，為動植物提供屏障[2]。光伏組件板可產生小面積徑流，集中沙漠、戈壁地區稀少的降水，增加降水入滲深度[2]。同時，沙漠光伏電站從設備選型、工程設計建設等方面，可與風沙防治優化結合。如采用適應地形能力更強、結構穩定性更好、布置更靈活、運維工作量小的固定式支架，并將光伏支架之間相互錯開，可以進一步起到滯風的效果。

1.2 綠電制氫及產業延伸

綠電制氫是指利用清潔可再生能源進行電解水制氫。氫能作為我國新型電力系統中的必要補充，在發電領域可有力支撐波動性可再生能源，在終端用能領域可實現替代化石能源，在能源互聯中可促進各能源的協同。在可再生能源資源豐富的區域，可就近利用集中式制氫、儲氫消納新能源電力，改善新能源發電間歇性、隨機性和波動大等特性對電網的影響，通過制取綠氫達到電網削峰填谷和平滑輸出的作用。綠氫可耦合延伸的產業主要有：可再生能源氫儲能、鋼鐵冶金行業綠氫替代、石化行業綠色煉化、化工行業綠氫替代、氫能交通、天然氣摻氫等。

作為零排放的二次能源，綠氫可助力能源、交通、建筑、工業等領域行業深度脫碳，通過多元耦合實現產業結構綠色轉型。對于電力行業來說，圍繞構建清潔低碳安全高效的能源體系，實施可再生能源替代行動，推進氫儲能應用，通過降低化石能源發電比例來降低碳排放；鋼鐵行業需改變傳統冶煉方式，通過突破電爐煉鋼、氫氣還原鐵等新技術降低碳排放量；化工行業可通過綠氫替代方式解決碳排放問題；交通行業通過在公共交通、物流運輸等領域使用綠氫，以氫代油加速脫碳進程。

1.3 “光伏治沙—綠電制氫—氫產業延伸”現狀

“光伏治沙—綠電制氫—氫產業延伸”作為生態治理、沙產業、新能源產業、氫產業有機融合的新模式，是生態文明建設、產業與能源變革的融合與創新。目前，國內關于光伏治沙、可再生能源制綠氫、綠氫耦合下游產業的項目均已啟動，雖然暫無三者融合的案例，但已奠定了該模式良好的基礎。國家相繼出臺了有關政策規劃，鼓勵光伏治沙、規模化制綠氫及應用，相關示范項目也已在規劃建設中。“十四五”期間，億利潔能聯合國家電力投資集團所屬企業，將在內蒙古庫布其沙漠億利生態示范區，打造庫布其光氫治沙零碳產業示范園，著力構建“光伏治沙+沙漠氫田+綠氫化工”綠色循環產業鏈新示范[3]。

2 “光伏治沙—綠電制氫—氫產業延伸”模式的驅動因素

光伏治沙產業與綠氫產業耦合催生出的新業態模式，一方面，突破生態環境困境，提高資源利用率；另一方面，則解決能源工業低碳清潔化轉型升級問題。多重因素正驅動該模式步入快速軌道。

2.1 政策因素

能源革命是我國建設生態文明的戰略選擇和能源轉型的重要著力點[3]。可再生能源是能源綠色低碳轉型的主力，也是構建新型電力系統的主體。加快實施可再生能源替代是推進能源革命，和建清潔低碳、安全高效能源體系、實現“雙碳”目標的重大舉措。加快能源消費低碳化轉型、促進綠色低碳同樣也是我國產業變革方向。自2021年起，國家相繼發布《工業領域碳達峰實施方案》等規劃政策文件，提出加快推進以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點的大型風電光伏基地建設，充分發揮新能源的生態環境保護效益，大力推廣生態修復類新能源項目。同時推動可再生能源規模化制氫利用，提高清潔能源利用比重和資源循環利用水平，推動新能源開發、輸送與終端消費的一體化融合，推進化工、煤礦、交通等重點領域綠氫替代，加快工業綠色低碳技術變革。“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式符合產業政策導向，良好的政策環境有利于其迅速孵化并穩步擴大規模。

2.2 市場因素

我國能源消費不斷向清潔低碳加快轉型，煤炭消費比重從2014年的65.8%下降到2021年的56%，而同期清潔能源消費比重從16.9%上升到25.5%，占能源消費增量的60%以上。能源消費結構的轉變，使可再生能源成為能源電力消費的增量主體。2021年10月份，在內蒙古、甘肅、青海、寧夏等地區集中組織開工了一批以沙漠、戈壁、荒漠地區為主的大型風電光伏基地項目，總規模近3 000萬千瓦。2022年2月份，國家發改委、國家能源局印發的《以沙漠、戈壁、荒漠地區為重點的大型風電光伏基地規劃布局方案》中，計劃以庫布齊、烏蘭布和、騰格里、巴丹吉林沙漠為重點，以其它沙漠和戈壁地區為補充，綜合考慮采煤沉陷區，規劃建設大型風電光伏基地。到2030年，規劃建設風光基地總裝機約4.55億千瓦。這意味著光伏治沙遠期市場增量極大，前景廣闊。在“雙碳”目標大背景下，鋼鐵、化工、交通等難以深度脫碳的行業，也正極力尋求綠色轉型突破口。以綠氫為代表的清潔二次能源，正是助力“碳中和”的重要抓手。當前，我國電解水制取的綠氫僅占氫氣總產能的4%，隨著氫能在我國的戰略定位及在工業等多領域助力脫碳作用的凸顯，未來市場需求巨大。

2.3 技術因素

技術革新是推動“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式的重要因素之一。技術革新可帶動區域經濟增長，培育新的經濟增長點，對于企業而言也是實現轉型的內在需求。光伏治沙項目所在沙漠荒地條件惡劣，對沙漠治理和光伏設備、工程建設的適應性、可靠性和高效性提出了新的要求。對于綠電制氫及下游行業耦合，更高效的制氫設備、與前端波動的可再生能源有更好適配性的先進系統、更高效的化工合成催化劑、更先進的氫冶金工藝等技術創新，將更好地推動氫能應用。特定應用場景帶來的各項技術創新及成本的下降，將為該模式提供更加廣闊的空間。

2.4 社會因素

采用“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式，通過建設生態友好型光伏電站系統，保護和修復沙漠、戈壁、荒漠地區，改善當地生態、人居環境，實現新能源與生態融合。還可以效帶動地區產業，提供就業機會，同時為區域經濟提供穩定優質綠色電力支撐，推動地區工業綠色低碳轉型。其所帶來的生態效益、經濟效益、社會效益可助力提升社會公眾對產業的認知度、支持度與配合參與度。

3 新模式面臨的挑戰

雖然“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式前景廣闊，但各環節仍面臨諸多挑戰。

3.1 生態修復方面

沙漠、戈壁、荒漠區域生態脆弱，生態環境一旦破壞難以恢復。光伏治沙作為工業治沙新態式，同樣面臨生態修復的挑戰。沙漠、戈壁、荒漠區域干旱少雨的氣候條件，增加了水分涵養難度和植被成活難度。同時，全球氣候持續變暖帶的影響也不容忽視，氣候變暖會加劇治沙區域干旱程度，進而導致更大程度的荒漠化。干旱也會加劇沙塵暴災害，進一步造成風蝕土壤，植被破壞。在生態環境極其脆弱的背景下，這種互為因果的連鎖反應，可能會導致惡劣氣候的惡性循環，增大生態修復的難度。

3.2 資源協同方面

“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式需要協同土地、水源、工業用戶等多方資源。對于土地場景選擇，極干旱地區沙漠自然條件較惡劣，降水極少，人口稀少，周邊無規模化產業，用能需求低，不適宜該模式；周邊有化工、鋼鐵冶煉等產業的干旱、半干旱沙漠地區則更適合該模式。綠電制氫需綜合考慮水源問題，往往沙漠地區水資源較匱乏，無法有效支撐大規模制氫，在水資源方面需要因地制宜統籌規劃。

3.3 技術應用方面

沙漠地區的風沙流動會對光伏板表面造成磨損，還會造成表面沙塵堆積，降低發電效率。用水清洗光伏組件表面沙塵將提升運維成本。流動性沙丘及沙塵暴，對電站的破壞性巨大。沙漠、戈壁和荒漠的高溫、干旱、缺水、強風、沙暴和溫差大等氣候條件，對光伏電站系統設計、設備、運維等均提出更高要求。在光伏發電耦合制綠氫環節，高效低成本制氫技術、大規模物理儲氫和化學儲氫技術、大規模及長距離管道輸氫技術、局部微網可再生能源制氫控制技術等，亟待進一步突破。而在綠氫耦合應用端，鋼鐵、石化等行業氫能冶金、綠色合成、綠氫規模化應用等低碳技術，尚處于過渡與探索應用階段，短時間內攻克關鍵低碳技術尚存一些困難。

3.4 送出消納方面

我國沙漠、戈壁和荒漠多數分布于西部北部地區，由于人口、產業布局等因素，光伏治沙項目所發電力在當地無法消納，需依托在運、在建外送通道，送出依賴成本高昂的特高壓工程。在當前經濟下行壓力的影響下，東部地區對西部的電力消納出現放緩趨勢。制備綠氫及延伸應用可作為就近消納負荷的有效方式，實現電力低成本儲存。但受制于成本、產業分布、工業用戶負荷等因素，規模化應用仍需時間，消納比例和經濟效益無法在短期內提升。

3.5 政策標準及市場方面

雖然國家層面已經出臺多項關于引導光伏治沙、綠電制氫及耦合應用的政策，但相關法律法規、財政金融激勵措施仍有待進一步完善。地方資金政策等方面對產業的引導作用有待進一步加強。針對光伏治沙等生態修復類新能源項目的設計、施工、運維等標準體系，以及針對鋼鐵、化工等產業耦合綠氫的標準系統，有待建立和完善。市場需要培育互贏的產融合作生態體系，總結出適宜行業規模化、可復制的商業模式。

4 “光伏治沙—綠電制氫—氫產業延伸”模式的創新路徑

4.1 明確創新方向

“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸” 作為一種可推廣的低碳生態經濟創新模式，將可再生能源、新興二次能源、綠色低碳產業緊密結合，可以帶動市場增量，激發技術創新活力，促進資源高效利用和能源消費結構轉變。充分發揮西部北部地區資源優勢，和沙漠、戈壁、荒漠地區土地優勢，建設光伏治沙大型基地，嚴格遵循不涉及生態紅線、依托外送通道與輸送能力匹配、落實消納市場、配套調峰措施等原則。在實現生態修復改善的基礎上，因地制宜，統籌資源，協同上游可再生能源綠電制氫，耦合下游低碳綠色轉型工業，優化產業用能結構，帶動產業鏈延伸，實現綠電高比例就地消納。

4.2 促進技術創新

以“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式為契機，充分發揮地方政策及財政資金的導向激勵功能，以產業為主體，研究新型沙漠綜合治理技術，開發惡劣環境適應性更強的新型光伏系統、高效儲能技術、制儲運氫技術、綠氫替代及規模應用等技術。通過培育市場，充分利用市場機制，引導社會資源向技術創新聚攏，促進技術創新、成果轉化落地。

4.3 完善產業政策和標準體系建設

在“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式實踐過程中，著力完善相關產業政策和標準體系建設，探索可復制推廣的商業模式。積極推動引入綠色金融，以及多種融資渠道對該模式的支撐，推動設立政府投資基金、引導基金等方式，支持關鍵技術的研發、示范應用。

4.4 強化合作交流

注重激發各參與主體活力，強化“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式中，政府、企業、科研院所等各類參與主體合作機制體制，鼓勵“產學研用”深度結合，鼓勵企業與科研機構和產業園區等合作，形成市場化運作的綠色創新聯盟，調動創新活力潛力，聚集優勢創新資源。引導各方積極參與技術創新研究，推動成果轉化落地，加強人才培養，健全專利保障制度。積極搭建交流平臺，通過論壇研討、項目開發等方式，推動國際交流合作，從環境、經濟、社會等多維度探討解決模式創新問題。

5 結語

“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”這一低碳生態經濟新模式，極具前景潛力。該模式當前尚處于探索示范階段，面臨著包括生態、資源、技術、送出消納、政策市場等諸多挑戰，建議通過技術與市場機制創新落地、強化合作交流機制等工作，探索適合“光伏治沙-綠電制氫-氫產業延伸”模式的創新路徑。