基于系統(tǒng)動力學(xué)的中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策仿真

摘要 綠氫是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵍文茉矗灰暈閷?shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要選項(xiàng)。近年來，中國綠氫產(chǎn)業(yè)在國家政策引導(dǎo)下開始發(fā)展起步，當(dāng)前主要面臨技術(shù)不成熟和成本居高不下等問題。該研究結(jié)合中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，建立了考慮綠氫供需與全產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)動力學(xué)模型，對中國2021—2035年綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行預(yù)測。進(jìn)一步對大力推動技術(shù)研發(fā)、低價(jià)電制氫就近消納和推進(jìn)綠氫替代三種典型政策進(jìn)行了多情景政策仿真模擬。研究發(fā)現(xiàn)：①中國綠氫產(chǎn)能將持續(xù)穩(wěn)定提升，且在2030年之后提速。在基準(zhǔn)情景下，2035年中國綠氫產(chǎn)量將達(dá)到1 581萬t，單位綠氫成本降至20. 98元/kg，綠氫在氫能總需求中的占比將提升至29. 7%。②大力推動技術(shù)研發(fā)政策能夠有效促進(jìn)綠氫產(chǎn)量的提高和單位綠氫成本的下降，最大政策力度情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為2 484. 3萬t和12. 9元/kg，推動儲運(yùn)氫技術(shù)進(jìn)步的成效更為顯著。③低價(jià)電制氫就近消納政策可推動綠氫單位成本下降，進(jìn)而促進(jìn)綠氫產(chǎn)量提升，最大政策力度情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為2 496. 7萬t和15. 62元/kg，但在發(fā)展初期盲目降低綠氫成本而不考慮需求會導(dǎo)致產(chǎn)能過剩和價(jià)格劇烈波動。④推進(jìn)綠氫替代政策能夠有效刺激需求側(cè)的綠氫消費(fèi)，提高綠氫在氫能總需求中的占比，進(jìn)而拉動投資擴(kuò)大綠氫裝機(jī)容量和產(chǎn)量，最大政策力度情景下2035年綠氫消費(fèi)量在氫能總需求中的占比增至48. 7%，綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為2 586. 5萬t和20. 65元/kg。基于上述研究結(jié)果，提出了促進(jìn)中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議。

關(guān)鍵詞 綠氫產(chǎn)業(yè)；系統(tǒng)動力學(xué)；多情景模擬；政策仿真

中圖分類號 TK91；X24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002-2104（2023）06-0049-10 DOI：10. 12062/cpre. 20230307

在中國碳達(dá)峰碳中和背景下，以可再生能源電解水制氫為主要形式的綠氫成為能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)。綠氫作為氫能的一種，不僅能夠在石油化工、鋼鐵、重型道路交通和航運(yùn)航空等難以電氣化的領(lǐng)域推動溫室氣體和污染物的凈零排放［1-2］，而且能夠與風(fēng)電、光伏發(fā)電等綠電耦合，有效解決可再生能源發(fā)電的間歇性與波動性等問題，增強(qiáng)能源供給的穩(wěn)定性和靈活性［3-4］。近年來，為了推動中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國家頒布一系列涉及綠氫的政策文件。2022 年3 月，《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》正式出臺，進(jìn)一步指明了綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向［5］。在政策引領(lǐng)下，目前已有一批可再生能源制氫示范項(xiàng)目陸續(xù)落地實(shí)施并取得了良好效果，但總體而言，中國綠氫產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期，發(fā)展速度較為緩慢。目前中國氫能年產(chǎn)量約為3 300萬t，其中以化石能源制氫為主，綠氫占比僅為3%左右［6］。盡管國家層面對綠氫發(fā)展的總體定位清晰，但氫能產(chǎn)業(yè)鏈條長而且復(fù)雜、電解水制氫技術(shù)能源轉(zhuǎn)化效率較低、儲運(yùn)氫技術(shù)還處于發(fā)展初期，多重因素疊加導(dǎo)致綠氫成本居高不下，在需求側(cè)缺乏競爭力，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化［7-8］。因此，亟須對中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行建模研究，對不同綠氫產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)行仿真分析，并提出科學(xué)有效的政策建議，以促進(jìn)中國綠氫產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展。

1 文獻(xiàn)綜述

隨著全球氣候變暖壓力增大，國際氫能委員會認(rèn)為以綠氫為核心的氫能將成為全球變暖2 ℃溫控目標(biāo)下的支柱能源，預(yù)測到2050年氫能將在全球終端能源需求中占比18%，消納和存儲500 TW·h的電力來促進(jìn)可再生能源大規(guī)模部署［9］。近年來，美國、德國、日本等世界主要經(jīng)濟(jì)體先后通過國家氫能戰(zhàn)略，確認(rèn)了綠氫的優(yōu)先地位［10-11］。中國作為世界第一產(chǎn)氫國，擁有全球最大的可再生能源裝機(jī)規(guī)模，為規(guī)模化發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)提供了優(yōu)勢［12］。近年來，中央和地方政府陸續(xù)出臺政策措施扶持綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展，專家學(xué)者們也高度關(guān)注中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題，氫能政策研究成為熱點(diǎn)。Zhang等［13］對中國各省市政府在2015年至2021年期間發(fā)布的153項(xiàng)氫能產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)行了文本挖掘和內(nèi)容分析，發(fā)現(xiàn)綠氫相關(guān)政策較少，認(rèn)為政府應(yīng)該進(jìn)一步鼓勵(lì)和擴(kuò)大綠氫生產(chǎn)；楊希特［14］、何清等［15］和孫旭東等［16］分別通過對國家和地方氫能政策的梳理分析，建議多措并舉降低綠氫供應(yīng)成本，積極開展綠氫示范應(yīng)用；程文姬等［17］對中國氫能政策和電解水制氫技術(shù)進(jìn)行了梳理和分析，認(rèn)為電解水制氫目前面臨高成本、耐久性和運(yùn)行穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，需要政策支持；張真等［18］通過梳理世界其他經(jīng)濟(jì)體的綠氫戰(zhàn)略，提出要通過強(qiáng)化財(cái)政金融支持完善氫金融政策體系。綜合來看，目前研究多聚焦于對氫能總體產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策進(jìn)行梳理分析，對綠氫政策層面的研究較少且缺乏深度，仍缺少考慮綠氫產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)、各因素間因果反饋關(guān)系和影響作用下的政策研究。

系統(tǒng)動力學(xué)（System Dynamics， SD）是一種定性與定量相結(jié)合解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的仿真方法［19］，廣泛應(yīng)用于能源領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研究和政策仿真。Morcillo等［20］和Valencia?calvo 等［21］應(yīng)用SD對電力市場中的供需關(guān)系和產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模仿真；Kiani等［22］利用SD研究了石油和天然氣產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)以及消費(fèi)政策的有效性；Yang等［23］基于中國煤炭行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建了SD模型，對不同政策下中國煤炭行業(yè)的產(chǎn)量規(guī)模進(jìn)行了仿真模擬。在綠氫研究領(lǐng)域，Li等［24］應(yīng)用SD模型探究了不同補(bǔ)貼政策對中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響，提出了可以在當(dāng)前技術(shù)水平下促進(jìn)綠氫產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的補(bǔ)貼政策，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的研究空白，但模型構(gòu)建中仍存在一些不足，未考慮供需關(guān)系、綠氫和化石燃料制氫的替代關(guān)系、儲氫和運(yùn)氫環(huán)節(jié)等關(guān)鍵因素對于綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模和成本的影響。

該研究結(jié)合中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，首先綜合考慮供需關(guān)系、技術(shù)、成本、政策等多因素的協(xié)同效應(yīng)，建立涵蓋制氫、儲氫、運(yùn)氫和用氫的綠氫全產(chǎn)業(yè)鏈SD模型，研究綠氫產(chǎn)業(yè)鏈各因素間的相互影響，對中國綠氫產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析與預(yù)測。其次基于構(gòu)建的SD模型，對大力推動技術(shù)研發(fā)、低價(jià)電制氫就近消納和推進(jìn)綠氫替代三種典型政策情景進(jìn)行多情景仿真模擬，結(jié)合敏感性分析討論2021—2035年中國綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本變化。最后提出相關(guān)政策建議，期望為實(shí)現(xiàn)中國綠氫產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展提供決策支持。

2 系統(tǒng)動力學(xué)模型及數(shù)據(jù)

2. 1 系統(tǒng)邊界的確定及說明

綠氫產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)邊界包括制氫、儲氫、運(yùn)氫和用氫全產(chǎn)業(yè)鏈，包含供需關(guān)系、技術(shù)、成本、政策等影響因素。由于各變量之間存在多種因果反饋關(guān)系，表現(xiàn)為復(fù)雜的多反饋回路非線性系統(tǒng)，因此有必要對系統(tǒng)邊界及相關(guān)設(shè)定進(jìn)行說明：①綠氫成本包括綠氫制備、經(jīng)過儲氫和運(yùn)氫到達(dá)用氫終端過程中的各項(xiàng)成本，不包括用氫端額外用氫成本，如加氫設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)維成本、氫氣的加注成本等。②由于綠氫的生產(chǎn)往往與風(fēng)電和光伏等可再生能源發(fā)電相耦合來實(shí)現(xiàn)綠電消納，因此綠氫生產(chǎn)企業(yè)也將參與中國綠色證書（以下簡稱綠證）交易，通過出售綠證獲得環(huán)境收益。③用于制氫的綠電是充足的。④每年的副產(chǎn)氧氣和綠證全部售出。⑤制氫其他成本包括水費(fèi)、人工費(fèi)、設(shè)備修理費(fèi)等除電力成本外的其他運(yùn)行維護(hù)成本。

2. 2 因果反饋關(guān)系

因果反饋關(guān)系從定性角度反映了綠氫產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動機(jī)理以及各因素間的影響機(jī)制。根據(jù)上述系統(tǒng)邊界，設(shè)計(jì)的中國綠氫產(chǎn)業(yè)因果反饋關(guān)系如圖1所示。

綠氫產(chǎn)業(yè)從總體上可分為供給側(cè)和需求側(cè)。供給側(cè)綠氫裝機(jī)容量和產(chǎn)量的增長取決于投資意愿，而投資意愿取決于投資回報(bào)率，存在“投資回報(bào)率→+投資意愿→+綠氫新增裝機(jī)容量→+綠氫累計(jì)裝機(jī)容量→+綠氫產(chǎn)量”的正反饋因果鏈（圖1中灰色鏈）。投資回報(bào)率由總成本和總收益共同決定，總成本越小，總收益越高，投資回報(bào)率就越高，投資者對綠氫產(chǎn)業(yè)的投資意愿就越強(qiáng)烈。

同時(shí)，總成本與總收益之間也存在相關(guān)的傳導(dǎo)機(jī)制。總成本包括供給側(cè)制氫固定投資成本、制氫電力成本、制氫其他成本、儲氫成本以及運(yùn)氫成本，而總收益來自綠氫出售收益、氧氣出售收益和環(huán)境收益之和。總成本和總收益之間的傳導(dǎo)機(jī)制表現(xiàn)為“總成本→+單位綠氫成本→+綠氫價(jià)格→-綠氫消費(fèi)量→+綠氫出售收益→+總收益”的負(fù)反饋因果鏈（圖1中橙色鏈）。其中，在氫能總需求量一定的情況下，需求側(cè)綠氫消費(fèi)量由綠氫價(jià)格以及目前主流的化石燃料制氫價(jià)格之間的競爭力決定，即綠氫與化石燃料制氫的價(jià)差越小，化石燃料制氫越容易被綠氫替代，從而提升綠氫在總氫能需求中的消費(fèi)占比。當(dāng)綠氫產(chǎn)量大于綠氫消費(fèi)量形成供過于求的情況時(shí)，未出售的綠氫積壓形成庫存，通過“綠氫庫存量→+儲氫成本→+總成本”的正反饋因果鏈（圖1中黑色鏈）增加總成本，抑制投資意愿，從而影響綠氫產(chǎn)量的提升。

2. 3 存流量模型

為進(jìn)一步得出定量結(jié)論，在因果反饋關(guān)系的基礎(chǔ)上，該研究識別了各因素的變量屬性，構(gòu)建和細(xì)化了各因素間的數(shù)量關(guān)系，利用Vensim PLE軟件建立了中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的存流量模型如圖2所示，模型中主要方程列入表1。圖2中橙色變量為政策變量因子，單書名號括起來的變量為影子變量。

2. 4 參數(shù)確定

以2021年為基準(zhǔn)年，仿真年限為2021—2035年，根據(jù)對中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，并參考相關(guān)研究文獻(xiàn)與行業(yè)報(bào)告，該研究對基準(zhǔn)情景下模型主要參數(shù)進(jìn)行了初始值設(shè)定，見表2。

其中：為了體現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步對電解效率的影響，假定仿真年限內(nèi)電解效率每年提升1%。而考慮到技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)，假定單位運(yùn)氫成本、單位其他制氫成本和單位儲氫成本每年同比下降3%。碳中和情景下2030年中國氫能總需求將從目前的3 342萬t增至3 715萬t，且2030年后增長速率將加快［25］，在此基礎(chǔ)上，對2021—2035年中國氫能總需求量進(jìn)行預(yù)測，將其作為SD模型的輸入?yún)?shù)，如圖3所示。

2. 5 模型有效性檢驗(yàn)

為了評估建立的SD模型的有效性，對模型進(jìn)行維度一致性檢驗(yàn)和結(jié)果檢驗(yàn)。Vensim PLE中“Unit Test”被用來對模型進(jìn)行維度一致性檢驗(yàn)。如果模型變量維度不一，程序?qū)o法運(yùn)行，無法獲得仿真結(jié)果。該SD模型可以順利運(yùn)行，因此通過了一致性檢驗(yàn)。在結(jié)果檢驗(yàn)中，通過模型預(yù)測結(jié)果與歷史實(shí)際數(shù)據(jù)的匹配程度檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果的有效性。由于中國氫能發(fā)展相關(guān)政策從2019年開始逐步出臺落地，因此，以2019年歷史數(shù)據(jù)作為模型初始輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真來開展結(jié)果檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，2020年和2021年中國綠氫產(chǎn)量分別為74. 9萬t、和100. 1萬t，與實(shí)際數(shù)據(jù)75. 4萬t和100萬t高度一致［24］。綜上表明構(gòu)建的系統(tǒng)動力學(xué)模型是準(zhǔn)確有效的。

3 結(jié)果分析與政策仿真

3. 1 基準(zhǔn)情景仿真結(jié)果分析

基準(zhǔn)情景下2021—2035年綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況如圖4所示。總體而言，中國綠氫產(chǎn)量逐年提高，單位綠氫成本逐年降低，綠氫在氫能總消費(fèi)量中的占比逐年提升。到2035年，基準(zhǔn)情景下綠氫產(chǎn)量將達(dá)到1 581萬t，單位綠氫成本降至20. 98元/kg，綠氫在氫能總需求中的占比也將提升至29. 7%。分階段看，在2021—2026年，單位綠氫成本下降趨勢明顯但依然較為昂貴，綠氫在需求側(cè)的價(jià)格競爭力較弱，需求側(cè)仍主要消費(fèi)以煤制氫為主的化石燃料制氫，綠氫產(chǎn)量增長緩慢；2027—2030年，綠氫產(chǎn)量繼續(xù)穩(wěn)定上漲，而單位綠氫成本降低的速率放緩，這主要是因?yàn)楣┐笥谇笤斐删G氫積壓形成庫存，同時(shí)單位儲氫成本還較高，導(dǎo)致儲氫成本大幅上漲；2031—2035年，由于技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)等作用的持續(xù)累積，單位綠氫成本進(jìn)一步降低，綠氫對化石燃料制氫的替代效應(yīng)愈發(fā)明顯，綠氫產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)快速增長。綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中各類成本在總成本中占比的變化情況如圖5所示。可以看出，制氫電力成本占比最大，為43%～67%；其次是運(yùn)氫成本，為22%～29%；儲氫成本占比波動較大，為0～17%，其主要受供需關(guān)系的影響。

3. 2 大力推動技術(shù)研發(fā)政策仿真結(jié)果分析與討論

目前綠氫產(chǎn)業(yè)鏈上相關(guān)技術(shù)還處于發(fā)展初期，如何推動關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)是中國綠氫產(chǎn)業(yè)面臨的關(guān)鍵問題。在《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》和《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》等政策文件中都明確強(qiáng)調(diào)，要持續(xù)推進(jìn)綠色低碳?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)。大力推動技術(shù)研發(fā)政策的實(shí)施，一是可以提高電轉(zhuǎn)氫的能源轉(zhuǎn)換效率，提升綠氫制備的制氫技術(shù)學(xué)習(xí)率；二是可以提升氫儲運(yùn)過程中的儲運(yùn)效率，加快降低儲運(yùn)氫成本。為了探究大力推動技術(shù)研發(fā)政策的實(shí)施效果，分別從制氫和儲運(yùn)氫兩個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)置政策情景進(jìn)行模擬仿真。其中：選擇制氫技術(shù)學(xué)習(xí)率和電解效率年提升值為推動制氫技術(shù)研發(fā)政策情景的變量因子；選擇單位儲運(yùn)氫成本年降低速率為推動儲運(yùn)氫技術(shù)研發(fā)政策情景的變量因子，其他變量的取值與基準(zhǔn)情景相同。各政策情景的參數(shù)設(shè)置見表3，其中A1和B1情景參數(shù)根據(jù)《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》等國家政策和各地方政策中關(guān)于綠氫技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新的表述設(shè)定，其余情景參數(shù)為敏感性分析的對照組。

大力推動技術(shù)研發(fā)政策的SD仿真結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果表明，推動制氫技術(shù)的研發(fā)可以促進(jìn)綠氫產(chǎn)量的提高以及單位綠氫成本的降低。這主要因?yàn)殡S著制氫技術(shù)學(xué)習(xí)率的提高和電解效率的加速提升，制氫固定投資成本顯著降低（A3情景比基準(zhǔn)情景在2035年時(shí)固定資產(chǎn)總折舊低115億元）。但同時(shí)通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)，由于制氫固定投資成本在總成本中占比較低，即使在A3情景下綠氫產(chǎn)量增長和單位綠氫成本下降的幅度也有限（A3情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為1 816萬t和18. 36元/kg），因此政府應(yīng)酌情考慮是否應(yīng)該將推動制氫技術(shù)研發(fā)作為政策重點(diǎn)。目前，堿性電解水技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，其發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但存在電解效率低、與波動性電源耦合性差等缺點(diǎn)。質(zhì)子交換膜、固體氧化物和光解水等先進(jìn)制氫技術(shù)在制氫效率、穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢，也是未來制氫技術(shù)研發(fā)和突破的重點(diǎn)方向。

相較于A1—A3情景，隨著B1—B3情景單位儲運(yùn)氫成本更快降低，綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本上漲和下降的幅度越來越大（B1、B2、B3情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為1 721. 4、1 900. 6、2 076. 8萬t和18. 89、16. 84、15. 31元/kg），這表明推動儲運(yùn)氫技術(shù)研發(fā)同樣對綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展起正向作用，且該作用隨著政策力度的加大愈發(fā)明顯。同時(shí)，單位綠氫成本下降曲線隨著政策力度的加大顯得更為平滑，這是因?yàn)閮涑杀鞠陆邓俾实奶岣撸魅趿耸袌龉┬桕P(guān)系的變化對成本的沖擊，使得成本和價(jià)格更為穩(wěn)定。儲運(yùn)氫環(huán)節(jié)作為綠氫產(chǎn)業(yè)供給和需求兩端的橋梁，在很大程度上制約著綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在現(xiàn)有高壓氣態(tài)管束拖車成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破和研究高強(qiáng)兆帕儲氫瓶、長距離管輸技術(shù)、有機(jī)液體儲氫、巖穴儲氫等技術(shù)，尋找性能更優(yōu)、造價(jià)更低的儲氫媒介來降低儲氫和運(yùn)氫成本，可推動綠氫產(chǎn)業(yè)更快發(fā)展。

C1、C2情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別達(dá)到1 814. 7、2 484. 3萬t和17. 9、12. 9元/kg。這表明，與推動單側(cè)技術(shù)研發(fā)相比，并行推動制氫和儲運(yùn)氫技術(shù)研發(fā)可以進(jìn)一步提高綠氫產(chǎn)量、降低單位綠氫成本，有助于綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展盡早提速。目前，政策往往重視制氫側(cè)而輕視儲運(yùn)氫環(huán)節(jié)，政府應(yīng)該“雙管齊下”，不能輕視儲運(yùn)氫環(huán)節(jié)技術(shù)創(chuàng)新的重要性，反而應(yīng)該加大對儲運(yùn)氫技術(shù)研發(fā)的鼓勵(lì)。

3. 3 低價(jià)電制氫就近消納政策仿真結(jié)果分析與討論

制氫電力成本在綠氫總成本中占比最高，是導(dǎo)致綠氫成本居高不下的主要原因。為了降低制氫的電力成本，如成都、深圳等部分地方政策通過鼓勵(lì)谷電制氫、執(zhí)行蓄冷電價(jià)制氫或?qū)χ茪潆妰r(jià)采取補(bǔ)貼等方式降低用于制綠氫的綠電價(jià)格。另外，考慮到運(yùn)氫成本隨著運(yùn)距的增加而顯著上漲，也有不少政策通過提出綠氫的就近制取和消納來降低運(yùn)氫成本，如《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》中就提倡可再生能源制氫的就近消納。為了探究低價(jià)電就近制氫政策的實(shí)施效果，分別設(shè)置低價(jià)電制氫、就近制氫用氫兩種政策相結(jié)合的政策情景進(jìn)行模擬仿真。其中：選擇綠電價(jià)格為低價(jià)電制氫政策情景的變量因子；選擇單位運(yùn)氫成本為就近制氫用氫政策情景的變量因子。各政策情景的參數(shù)設(shè)置見表4，其中D1和E1情景參數(shù)根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》等國家政策和各地方政策中關(guān)于低價(jià)電制氫就近消納的表述設(shè)定，其余情景參數(shù)為敏感性分析的對照組。

低價(jià)電制氫就近消納政策下綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本的SD輸出結(jié)果如圖7所示。可以看出，利用低價(jià)電力制綠氫可以顯著降低單位綠氫成本、提高綠氫產(chǎn)量，但隨著綠電價(jià)格從基準(zhǔn)情景到D3情景逐步降低，單位綠氫成本在2028—2032年左右不降反升的幅度越來越大，綠氫產(chǎn)量在2032年前后的增速也被放緩。這是由于低價(jià)電導(dǎo)致單位綠氫成本在產(chǎn)業(yè)發(fā)展前期就大幅降低（D3情景下2021年單位綠氫成本降至25. 56元/kg），刺激了需求側(cè)綠氫消費(fèi)量的迅速提升，從而使投資者對生產(chǎn)綠氫的投資意愿顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致綠氫產(chǎn)量因綠氫累計(jì)裝機(jī)容量的快速擴(kuò)大而提高。在假設(shè)需求增量替代彈性系數(shù)恒定的情況下，綠氫產(chǎn)量的提升速率大于綠氫消費(fèi)量的提升速率，必然導(dǎo)致更多綠氫作為庫存被積壓儲存，供過于求的局面被進(jìn)一步放大，綠氫的儲氫成本迅速上漲。因此，政府在探索和嘗試制取綠氫的優(yōu)惠電價(jià)政策時(shí)不要盲目降低電價(jià)，避免制氫成本的大幅降低帶來產(chǎn)能過剩。另外，有條件的制氫企業(yè)也可以通過購買風(fēng)光棄電來制取部分綠氫，這樣不僅可以降低綠氫成本，還能減少資源浪費(fèi)。

由于就近制氫用氫縮短了制氫側(cè)至用氫側(cè)的運(yùn)氫距離，運(yùn)氫成本將降低，因此隨著就近制氫用氫政策力度的加大，綠氫產(chǎn)量增長和單位成本下降的幅度進(jìn)一步加大（E1、E2、E3情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為1 695. 7、1 780. 2、1 871. 7 萬t 和19. 73、18. 92、18. 13元/kg）。目前，一些政策或規(guī)劃中提出了工業(yè)園區(qū)就近制氫以及推進(jìn)加氫站制氫加氫一體化建設(shè)示范等政策要求，并對符合相應(yīng)條件的項(xiàng)目給予補(bǔ)貼或獎(jiǎng)勵(lì)，這在一定程度上極大降低了運(yùn)氫成本，推動了綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

雙政策結(jié)合的實(shí)施效果能夠進(jìn)一步促進(jìn)綠氫產(chǎn)量上漲和成本下降（F1、F2情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為1 892、2 496. 7萬t和18. 37、15. 62元/kg）。因此，政府可以將兩種政策結(jié)合起來實(shí)施，但同時(shí)也要避免過分降低成本引起的產(chǎn)能過剩和價(jià)格波動。

3. 4 推進(jìn)綠氫替代政策仿真結(jié)果分析與討論

考慮到目前綠氫在氫能產(chǎn)業(yè)中所占份額很小，不少政策文件提出要通過加大需求側(cè)綠氫替代力度推動中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》和《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中明確提出要鼓勵(lì)和推進(jìn)化工、鋼鐵、交通、煤礦等重點(diǎn)行業(yè)的綠氫替代，部分省市也通過在需求側(cè)采取綠氫價(jià)格補(bǔ)貼或獎(jiǎng)勵(lì)的方式鼓勵(lì)綠氫的更多應(yīng)用。為了探究推進(jìn)綠氫替代政策對中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響，設(shè)置推進(jìn)綠氫替代政策情景進(jìn)行模擬仿真。其中，選擇需求增量替代彈性系數(shù)作為該政策情景的變量因子。推進(jìn)綠氫替代政策情景的參數(shù)設(shè)置見表5，其中G1情景參數(shù)根據(jù)《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》等國家政策和各地方政策中關(guān)于綠氫替代的表述設(shè)定，其余情景參數(shù)為敏感性分析的對照組。

推進(jìn)綠氫替代政策下綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本的變化情況如圖8所示。可以看出，隨著需求增量替代彈性系數(shù)的增長，綠氫的產(chǎn)量在其單位成本下降并不明顯的情況下實(shí)現(xiàn)顯著提升（G1、G2、G3情景下2035年綠氫產(chǎn)量分別為1 883. 4、2 228. 0、2 586. 5萬t，而單位綠氫成本變化不大：20. 93、20. 77、20. 65元/kg）。這是因?yàn)橥七M(jìn)綠氫替代提高了需求側(cè)的綠氫消費(fèi)量（G1、G2、G3情景下2035年綠氫消費(fèi)量在氫能總需求量的占比分別增至35. 97%、42. 3%、48. 7%），從而拉動了供給側(cè)對綠氫的投資，促進(jìn)了綠氫累計(jì)裝機(jī)規(guī)模和產(chǎn)量的提升。目前中國綠氫消費(fèi)量較少，但隨著碳交易制度的持續(xù)完善和碳稅制度的實(shí)施，化石燃料制氫將逐步被綠氫替代，綠氫產(chǎn)業(yè)將帶來更大發(fā)展空間。

由于目前中國綠氫產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初級階段，產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟，與綠氫直接相關(guān)的定量政策較為匱乏，該研究難以計(jì)算上述三種典型政策的實(shí)施成本，得出的政策仿真結(jié)果為沒有包含政策實(shí)施成本的綠氫成本。考慮補(bǔ)貼或減免稅收等激勵(lì)措施的成本，單位綠氫成本將稍高于模型結(jié)果，但政策的激勵(lì)效應(yīng)能快速推動綠氫市場的發(fā)展，顯現(xiàn)政策優(yōu)勢。

4 結(jié)論及政策建議

該研究基于中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，通過系統(tǒng)動力學(xué)方法構(gòu)建了考慮供需關(guān)系下涵蓋綠氫全產(chǎn)業(yè)鏈的中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展系統(tǒng)動力學(xué)模型，并基于該模型對中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了分析與預(yù)測，且對大力推動技術(shù)研發(fā)、低價(jià)電制氫就近消納和推進(jìn)綠氫替代三種典型政策的實(shí)施效果進(jìn)行了多情景模擬仿真，得出如下結(jié)論。

（1）目前中國綠氫產(chǎn)業(yè)受制于技術(shù)和成本而發(fā)展緩慢，但隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)的疊加影響，預(yù)計(jì)2030年后發(fā)展將提速。基準(zhǔn)情景下2035年中國綠氫產(chǎn)量將達(dá)到1 581萬t，單位綠氫成本降至20. 98元/kg，綠氫在氫能總需求中的占比也將提升至29. 7%。在綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，各項(xiàng)成本占比也發(fā)生著變化，但總體來說，制氫電力成本和儲運(yùn)氫成本占比較高，分別達(dá)到43%～67% 和22%～44%。

（2）大力推動技術(shù)研發(fā)政策是目前提高綠氫產(chǎn)量、降低綠氫單位成本的有效措施之一。分別推動制氫技術(shù)和儲運(yùn)氫技術(shù)進(jìn)步都能促進(jìn)綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展，而相比之下推動制氫技術(shù)研發(fā)政策的敏感性較小，推動儲運(yùn)氫技術(shù)進(jìn)步的作用更為明顯（A3、B3情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別為1 816、2 076. 8萬t和18. 36、15. 31元/kg）。C1、C2情景下2035年綠氫產(chǎn)量和單位綠氫成本分別達(dá)到1 814. 7、2 484. 3萬t和17. 9、12. 9元/kg，說明雙技術(shù)并行推動將取得更好的政策效果。

（3）低價(jià)電制氫就近消納政策可大幅降低綠氫單位成本，從而促進(jìn)綠氫產(chǎn)量顯著提升。低價(jià)電制氫就近消納政策可在產(chǎn)業(yè)發(fā)展前期直接降低單位綠氫成本（F1和F2情景下2021年單位綠氫成本分別降至34. 77元/kg和24. 66/kg），提升綠氫的價(jià)格競爭力。但要注意成本快速大幅降低引起的產(chǎn)能過剩和價(jià)格波動（D1、D2、D3、F1、F2情景下2028—2032年單位綠氫成本反彈）。

（4）推進(jìn)綠氫替代政策可刺激需求側(cè)對綠氫的消費(fèi)，提高綠氫在氫能總需求中的占比，從而拉動投資提升綠氫累計(jì)裝機(jī)容量和產(chǎn)量。隨著G1、G2、G3情景下需求增量替代彈性系數(shù)的增長，2035年綠氫消費(fèi)量在氫能總需求量的占比分別增至35. 97%、42. 3%、48. 7%；綠氫產(chǎn)量分別為1 883. 4、2 228. 0、2 586. 5萬t，遠(yuǎn)高于基準(zhǔn)情景下的1 581萬t。因此，從需求側(cè)入手進(jìn)行合理的政策激勵(lì)也將極大促進(jìn)中國綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

基于上述結(jié)論，提出以下政策建議。

（1）政府應(yīng)大力鼓勵(lì)綠氫產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)加大制氫、儲氫、運(yùn)氫各環(huán)節(jié)技術(shù)的研發(fā)與突破，可通過補(bǔ)貼和獎(jiǎng)勵(lì)等方式推動綠氫企業(yè)與相關(guān)高校、科研院所進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研合作，遴選研發(fā)合作單位和團(tuán)隊(duì)，組建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同、上下游銜接的創(chuàng)新聯(lián)合體，開展聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)。同時(shí)，要加大綠氫相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)力度，推動先進(jìn)技術(shù)國產(chǎn)化。

（2）政府應(yīng)推動綠氫低成本發(fā)展，通過鼓勵(lì)谷電制氫、棄電制氫和給予綠電價(jià)格補(bǔ)貼等政策手段降低制氫電力成本，通過土地補(bǔ)貼或工業(yè)園區(qū)獎(jiǎng)勵(lì)等方式鼓勵(lì)就近制氫用氫降低運(yùn)氫成本。另外，結(jié)合中國西北、西南、東北、沿海等地區(qū)可再生能源豐富的天然稟賦，鼓勵(lì)充分利用當(dāng)?shù)氐墓夥⑺姟㈥懮巷L(fēng)電、海上風(fēng)電來就近制取綠氫，實(shí)現(xiàn)綠氫成本的降低。

（3）政府應(yīng)通過綠氫價(jià)格補(bǔ)貼、綠氫使用獎(jiǎng)勵(lì)等措施降低綠氫使用價(jià)格，鼓勵(lì)需求側(cè)綠氫替代。要進(jìn)一步深化和完善中國碳交易管理制度和碳稅制度，提高以煤制氫為主的灰氫的使用價(jià)格；也可借鑒綠色證書交易機(jī)制設(shè)立綠氫證書交易機(jī)制，以此約束化石燃料制氫的發(fā)展，推動綠氫的廣泛使用。

（4）政府應(yīng)結(jié)合綠氫發(fā)展過程中的實(shí)際情況，因地制宜、因時(shí)制宜，打好政策“ 組合拳”。比如，若政府在綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期通過政策措施大幅降低綠氫成本，而不考慮需求側(cè)，就將造成產(chǎn)能過剩的問題。因此，政府應(yīng)結(jié)合實(shí)際，從供給側(cè)和需求側(cè)兩端“雙管齊下”，通過合適的政策力度和政策組合推動中國綠氫產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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