碳中和目标下广东省氢能角色及利用方式研究

王 美，赵静波，于文益

(1.广东省技术经济研究发展中心，广东广州 510070；2.广东省能源研究会，广东广州 510070)

2020 年9 月和12 月，习近平主席分别在第七十五届联合国大会和气候雄心峰会上宣布将提高国家自主贡献力度，提出到2030 年，我国非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12 亿kW 以上，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和［1-2］。2020 年12 月，《中共广东省委关于制定广东省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》明确提出将积极发展风电、核电、氢能等清洁能源，建设清洁低碳、安全高效、智能创新的现代能源体系，倡导简约适度、绿色低碳的生活方式，开展绿色生活创建活动，制定实施碳排放达峰行动方案，推动碳排放率先达峰［3］。能源活动是我国最主要的CO2排放源，我国能源活动的CO2排放量占全国CO2排放总量中占90%左右［4］。研究一致认为，以清洁能源为主导的能源转型革命是实现我国减排目标且化解国内环保压力的最有效途径［5］，碳中和目标下，氢能作为最具潜力的二次清洁能源也越来越受到重视。近年来，有关氢能技术及产业发展方面开展了许多相关研究，主要研究重点聚焦在制氢、储氢技术及氢燃料电池汽车产业发展方面。

制氢技术方面，李建林等［6］梳理分析了不同制氢路径的技术原理、技术成熟度、制氢成本、低碳环保性，提出在碳中和目标下，大力发展电解水制氢技术，由“灰氢”到“绿氢”转化的重要意义；曹蕃等［7］综述了近二十年来风电耦合制氢技术发展现状，并对网型和离网型风电耦合制氢技术的应用效果和经济性进行评价；李谚斐等［8］重点分析可再生能源制氢的经济性和可行性，并与其他能源利用形式进行比较。

储氢技术方面，李璐伶等［9］对比了物理储氢、化学储氢等不同储氢技术的安全性、储氢密度及储氢成本，并简要展望储氢技术今后的研究方向；陈良等［10］全面介绍了以液氢为核心的氢燃料供应链未来发展模式，并对液氢氢能供应链各个环节特点及未来发展趋势进行了分析。

氢燃料电池技术方面，刘应都等［11］较全面分析了质子交换膜、电催化剂等技术研究进展及发展态势，提出面向2035 年我国氢燃料电池技术系统发展方向；宋显珠等［12］分析了我国氢能燃料电池关键材料发展现状及存在的问题，提出了推进我国氢燃料电池材料发展的相关建议。

氢能产业方面，景春梅等［13］论述了国际氢能产业发展态势，我国氢能产业发展现状、特点及制约因素，提出了促进我国氢能产业发展相关建议；沈浩明［14］分析了我国氢燃料电池汽车产业发展政策、发展现状及存在的问题，提出了促进燃料电池汽车产业发展的政策建议。

由以上文献综述可知，已有氢能相关研究中对于氢能在实现碳中和目标中承担何种角色，以及如何因地制宜拓展氢能利用方式的研究相对较少。因此，本文在阐述广东省能源发展及碳排放现状、分析氢能特点及发展趋势、总结各国利用氢能思路及政策的基础上，认为在碳中和目标下，氢能在广东省未来能源结构中将发挥重要作用，对未来一段时期广东省拓展氢能利用方式提出建议，为广东省工业、交通、建筑等领域深度脱碳，实现低碳发展提供参考。

1 广东省能源发展及碳排放现状

在增速放缓，结构不断优化的经济新常态下，广东省能源消费增速逐步放缓，能源供需矛盾得到极大缓和。根据《广东省统计年鉴》，广东省自2000 年以来一次能源消费总量及增长情况如图1 所示。由图1 可以看出，广东省能源消费总量持续增长，从2000 年的9 448 万tce 增长至2019 年的34 142 万tce，但能源消费增速自2005 年达到峰值后持续回落，“十三五”前四年能源消费年均增速仅为3.2%。

图1 广东省一次能源消费总量增长情况

根据《中国统计年鉴（2020 年）》，2019 年全国及重点省份一次能源结构及能源效率如图2 所示（全国一次能源结构及效率数据不包括香港特别行政区、澳门特别行政区、台湾省）。从能源结构来看，广东省一次能源消费结构中煤炭、石油、天然气、一次电力及其他能源比重分别为34.7%、27.5%、8%、29.8%，清洁低碳能源（天然气、一次电力及其他能源）比重达37.8%，处于全国领先水平。从能源利用效率来看，2019年广东省单位GDP能耗强度为0.352tce/万元（2015 年可比价），远低于全国平均水平，但与全国领先水平江苏相比尚有一定差距。

图2 全国及粤苏浙鲁一次能源结构及效率对比

根据广东省能源消费总量和消费结构，参考IPCC 碳排放系数和中国区域电网平均二氧化碳排放因子，计算出各年度广东省二氧化碳排放总量，广东省全省二氧化碳排放总量自2010 年的47 768 万t增加至2019 年的55 600 万t，年均增长约1.7%，如图3 所示。

图3 2010—2019 年广东省碳排放总量

2 氢能特点及发展形势

氢是最丰富的元素之一，通常以水、碳氢化合物形式存在。氢气可从水、化石燃料等含氢物质中制取，是重要的工业原料和能源载体。氢作为能源载体具有能量密度大、转化效率高、储量丰富、适用范围广、环保无污染等特点，是一种零污染、零排放的二次清洁能源，被誉为21 世纪“终极能源”［15］。

国际能源署（IEA）2020 年6 月发布的《全球氢能进展》报告指出，全球氢能发展整体势头良好，氢能发展正面临前所未有的政治机遇。截止到2019 年底，全球电解水制氢装机容量从2010 年不足1MW 增加至25MW，此外预计有数百MW 电解水制氢项目将在2020 年后开始运营；全球燃料电池汽车保有量达到25 210 辆，年销售量达12 350 辆；全球在运加氢站共470 个，同比增长20%以上，其中日本113 个，德国81 个，美国64 个，中国61 个。

全球范围内，特别是主要发达国家对氢能的政策支持力度也在快速加强，欧盟、美国、日本等更是将氢能上升到国家能源战略高度，氢能开发与利用已成为发达国家能源体系中的重要组成部分。

2020 年11 月，美国能源部发布了《氢能项目计划2020》，为美国的氢能研究、开发和示范应用提供战略支撑。该计划提出美国能源部将协同下属所有能源部门，合作推动氢能产业发展，预测到2050年美国本土氢能需求将增至4 100 万t/a，是当前消费的4 倍，氢能将占美国总能源消费需求的14%。

2020 年7 月，欧盟委员会提出了推动氢能发展的一揽子政策规划《推动建立气候中立欧洲的氢能战略》，该战略计划通过建立产业发展联盟、加大政策扶植力度等一揽子政策分“三步走”大力促进可再生能源制氢产业发展，计划2030 年电解槽制氢产能提升至40 GW，产量达1 000 万t，成为“欧洲能源系统固有组成部分”，2030 年后争取实现可再生能源制氢大规模部署在各个难以脱碳化发展的行业中。

2017 年12 月，日本发布《氢能源基本战略》，强调日本领先世界实现“氢能社会”的重要性并部署相关具体政策。该战略的主要目的是实现氢能稳定低成本利用、研发氢供应链条国际化及氢能利用关键技术、普及和扩大氢燃料电动汽车应用、探索工业生产过程中氢能利用等。具体发展目标包括到2030 年，建成氢能源商业化供应链，实现30 万t 采购量并将成本控制在30 日元/Nm3；氢燃料电动车达到80 万辆，加氢站实现商业化自主发展。

我国十分重视氢能利用及产业发展，2021 年国家“十四五”发展规划中，氢能作为战略性新兴产业，被正式纳入“前瞻谋划未来产业”中。截止到2020年6 月，全国范围内省及直辖市氢能产业规划超过10 个，地级市及区县级的氢能专项规划超过30 个，广东省内包括广州、佛山、茂名等均结合自身产业特色出台了氢能产业规划。根据《中国氢能产业发展报告2020》［16］，预计到2050 年氢能占终端能源消费比例达10%，氢燃料电池汽车保有量3 000 万辆，氢气需求量6 000 万t。

3 广东省氢能利用总体思路研究

3.1 利用现状

广东省高度重视氢能利用及产业发展，是国内较早布局氢能产业的省份，氢能利用及产业发展在全国居于领先水平。主要体现在以下几个方面：一是产业链布局已具雏形，启信宝数据显示，广东省已引入培育超过500 家氢能产业相关企业，初步形成了涵盖氢气制取、运输、加注，氢燃料电池核心部件和动力总成，整车集成及氢基础设施的全链条产业体系雏形。二是推广应用规模领先全国，根据《广东省培育新能源战略性新兴产业集群行动计划（2021—2025 年）》，截止到2019 年底，全省建成投运加氢站34 座，数量约占全国三分之一左右；累计推广燃料电池汽车数量近2 800 辆，累计运营里程规模超过3 000 万km，推广数量与运营里程规模均居全国第一。随着氢能推广利用不断深入，相关问题也在逐步显现。一是氢源保障不足且价格较高。随着氢能推广应用规模扩大，氢源保障问题日益凸显。根据调研，目前广东在运加氢站氢气售价普遍高于70 元/kg，全省氢气产能不足5 000Nm3/h，氢气供应保障不足及价格高昂是制约广东氢能利用的主要障碍之一。二是氢源绿色化程度不高。广东省目前氢源主要依托天然气重整、甲醇裂解为主的化石能源制氢，化石能源制氢会产生大量二氧化碳排放，碳中和目标下，必须提升氢源绿色化程度。三是氢能应用场景有待拓展。广东省目前氢能利用主要聚焦于氢燃料电池汽车等交通领域，且尚处于示范应用阶段，对全省能源结构调整和碳减排贡献度不大。

3.2 构建多元化清洁氢能供应体系

解决氢源供应保障能力是推广氢能利用的当务之急，结合广东省区域优势和特色产业优势及低碳制氢要求，本文建议未来广东省应优先考虑可再生能源电解水、石化行业副产氢提纯等绿色低碳制氢方式，打造多渠道、多元化清洁氢能供应体系。

可再生能源存在着不稳定性和电网兼容等问题，大规模可再生能源投产后，如何解决可再生电力并网及消纳问题，成为当前迫切需要解决的问题。可再生能源制氢是将可再生能源通过风机、太阳能光伏、水泵等发电机组转换成电能，电能通过电解水制氢设备转换为氢气，并通过液氢或高压氢储运技术，送出到氢能源应用市场。根据《广东省海上风电发展规划（2017—2030 年）（修编）》，到2030 年底广东省将建成投产海上风电装机容量约3 000 万kW，按年利用小时数约3 000h，将产生900 亿kW.h/a 绿色电力，5kW.h 电力产生1Nm3氢气，如海上风电全部用于制氢，可产生180 亿Nm3绿氢。发展可再生能源制氢，即可解决大规模可再生能源投产后的消纳问题，又能为氢能应用市场提供高品质低碳绿氢，实现能源清洁低碳转型和绿色低碳发展。

近年来，随着大型石化项目接连落地，广东省已形成茂湛石化、广州石化、惠州大亚湾石化、汕潮揭石化四大石化产业基地。石化和化工等工业领域含氢副产品制氢潜力巨大，工业副产氢提纯具有明显成本优势，属于资源综合利用和国家产业政策鼓励方向，建议广东省利用石化产业优势，推动工业副产提纯氢规模化发展。以丙烷脱氢为例，广东省“十四五”期间将建成投产480 万t 产能，投产后每年可生产大约17.3 万t 高纯氢气。此外，炼化企业制氢装置产能规模大，可作为本地及周边地区“氢气调峰”装置，既能保障氢气充分利用不浪费，并保持装置运行平稳。

3.3 探索氢能多领域应用发展

碳中和目标下，广东应充分利用氢能清洁、低碳、灵活等能源特性，积极探索氢能多领域应用发展，减少工业、交通、建筑等领域对化石能源依赖，帮助难以减排领域深度脱碳。

氢能替代助力工业领域深度脱碳。钢铁、冶金、石化、水泥等高耗能行业既是碳排放大户，又是深度脱碳的难点，因为这些行业生产过程中需要大量的高位热能，而这部分热能很难用电气化方式解决，电能替代并不能解决高耗能产业的减碳问题，而氢能替代可能是工业领域深度脱碳的最优解决方案之一。如在钢铁和有色金属冶炼行业，可以采用“氢冶炼”取代“碳冶炼”［17］；在化工行业，氢气可用于替代生产合成氨、甲醇等化工产品所需化石能源；水泥、陶瓷等行业则可利用氢气直接燃烧提供热源，替代化石能源。

国内钢企龙头宝武集团作为第一大钢铁集团率先发布碳中和的目标，力争2050 年力争实现碳中和。发展“氢冶金”技术是实现钢铁行业碳中和的重要一环。以宝武集团湛江钢铁为例，待三高炉系统建成后，铁水产能规模将达到122 5 万t，富氢高炉有望用氢气完全替代喷吹煤并替代约10%焦炭用量，则“以氢代煤”可减少喷吹煤使用量160 万t、焦炭使用量40 万t，减少碳排放量422 万t，减排幅度约13.5%。

探索氢能在交通领域多元化应用。近年来广东省一直是我国交通运输业中排放量最高的省份，约占全国交通运输业二氧化碳排放量的9.56%［18］，交通运输行业是广东省碳排放三大行业之一，是应对气候变化的重点领域，交通运输业低碳转型是实现碳中和目标的重要举措［19-20］。相比于纯电动汽车，氢燃料电池汽车具有加注方便快捷、续航里程长等优点，氢燃料电池汽车和锂电池电动汽车未来有望形成互补共存的局面，共同促进广东省交通领域低碳转型。具体而言，道路交通领域可重点推广氢燃料电池汽车在物流、重卡、公交车领域的应用；非道路交通领域，可重点推广水上运输船舶、港口、工程机械等领域的氢能应用。按照相关规划，2030年我国氢燃料电池车辆保有量有望达到200 万辆，按燃油车辆平均碳排放量2.7t/车.年计算，氢燃料电池车辆替代仅在道路交通领域可减少碳排放540万t/a，根据广东省交通碳排放占全国比例，2030 年广东省氢燃料电池车辆替代在道路交通领域预计可实现51.6 万t/a 碳减排量。

天然气掺氢提升燃气“绿色化”。天然气掺混氢一直是国内外氢气运输和规模化利用的重要研究方向，研究认为，用于家用燃气灶具的燃气最大可掺混23%的氢气，用于燃气轮机的燃气最大可掺混5%的氢气，但通过采取调整措施和改造升级可以使其掺氢百分比提升至15%［21］。广东省天然气需求持续上升，对外依存度较高，根据《广东省能源发展“十四五”规划》（征求意见稿），到2025 年广东省天然气消费总量预测将达到450 亿Nm3，其中自产气仅占13%左右。广东省天然气管网比较完善，管道规模大，分布范围广，通过向已有的天然气管道掺入氢气，有助于提升天然气“绿色化”、化解天然气供应压力，并有助于实现氢能规模化应用。预计到2030 年，广东省天然气消费总量有望达到600 亿Nm3，按掺氢比例2%测算，按热值折算可替代约4 亿Nm3天然气，减少碳排放量86.5 万t。

4 主要结论

（1）广东省能源消费总量持续增长，从2000年的9 448 万tce 增长至2019 年的34 142 万tce，但能源消费增速自2005 年达到峰值后持续回落，“十三五”前四年能源消费年均增速仅为3.2%；全省碳排放总量自2010 年的47 768 万t 增加至2019年的55 600 万t，年均增长约1.7%。

（2）广东省氢能利用及产业发展在全国居于领先水平，氢能产业链布局已具雏形，氢能推广应用规模领先全国，但随着氢能推广利用不断深入，广东省氢能利用也存在氢源保障不足、绿氢比例偏低、应用场景有待拓展等问题。结合广东省产业技术优势及低碳制氢要求，建议广东省构建可再生能源电解水制氢、石化行业副产氢提纯等多元化清洁氢能供应体系。

（3）碳中和目标下，氢能开发利用在保障能源安全及低碳转型中扮演重要角色。建议广东省积极探索氢能在工业领域深度脱碳、交通行业低碳转型、天然气掺氢等领域应用发展，减少工业、交通、建筑等领域对化石能源依赖，帮助难以减排领域深度脱碳。