打造低碳生态经济新模式—“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”的创新与发展

2022-03-23李子华

皮革制作与环保科技 2022年21期

李子华

（国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095）

我国经济高速增长过程中，面临着能源资源和环境制约问题，开发新能源和生态环保是我国两大国家战略。“光伏治沙”作为新能源产业的延伸，是将新能源与环保相结合的新业态，可以改善国土利用空间，推动能源绿色转型、带动多种产业，以及推动区域生态保护、经济增长等，带来社会综合效益。氢能作为未来国家能源体系的组成部分，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点。绿电制氢及其产业链延伸作为解决新能源消纳、优化能源结构、助力实现我国3 060双碳目标的有效途径之一，与“光伏治沙”产业耦合形成低碳生态经济产业融合新模式，所带来的减碳效益、生态效益、经济效益潜力巨大[1]。

1 “光伏治沙—绿电制氢—氢产业延伸”模式现状

1.1 光伏治沙

建设光伏沙漠生态化电站是目前我国最主要的光伏治沙方式，自2010年以来，甘肃、宁夏、青海、内蒙等地区广泛应用光伏治沙项目。其主要优势在于将光伏与沙漠综合治理、节水农业、产业延伸紧密结合，带动治理修复、生态种植养殖、观光旅游等产业，积极探索板上发电、板下修复的新型产业循环模式，以寻求生态与经济的双赢效果。

光伏治沙典型路径是在光伏电站的外围、边沿地带及站内采用沙障措施、生物措施和其它措施如农业节水、封护[1]等，通过机械固沙、化学固沙、植物固沙、建立阻沙栅栏、防沙林带林网等方式，建立综合防护系统。在光伏发电板下设置节水滴灌装置，筛选适宜于当地生长环境的作物种植培育，因地制宜进行土壤改良、保肥保水技术，建立“光伏+农业”模式，从而实现生态效益与经济效益的共进。光伏电站通过多种措施，有效地缓解了沙丘的移动，固沙作用良好。光伏组件板遮蔽阳光直射，有效降低了地表水的蒸发，还能够有效降低风速，改善植物的生存环境，为动植物提供屏障[2]。光伏组件板可产生小面积径流，集中沙漠、戈壁地区稀少的降水，增加降水入渗深度[2]。同时，沙漠光伏电站从设备选型、工程设计建设等方面，可与风沙防治优化结合。如采用适应地形能力更强、结构稳定性更好、布置更灵活、运维工作量小的固定式支架，并将光伏支架之间相互错开，可以进一步起到滞风的效果。

1.2 绿电制氢及产业延伸

绿电制氢是指利用清洁可再生能源进行电解水制氢。氢能作为我国新型电力系统中的必要补充，在发电领域可有力支撑波动性可再生能源，在终端用能领域可实现替代化石能源，在能源互联中可促进各能源的协同。在可再生能源资源丰富的区域，可就近利用集中式制氢、储氢消纳新能源电力，改善新能源发电间歇性、随机性和波动大等特性对电网的影响，通过制取绿氢达到电网削峰填谷和平滑输出的作用。绿氢可耦合延伸的产业主要有：可再生能源氢储能、钢铁冶金行业绿氢替代、石化行业绿色炼化、化工行业绿氢替代、氢能交通、天然气掺氢等。

作为零排放的二次能源，绿氢可助力能源、交通、建筑、工业等领域行业深度脱碳，通过多元耦合实现产业结构绿色转型。对于电力行业来说，围绕构建清洁低碳安全高效的能源体系，实施可再生能源替代行动，推进氢储能应用，通过降低化石能源发电比例来降低碳排放；钢铁行业需改变传统冶炼方式，通过突破电炉炼钢、氢气还原铁等新技术降低碳排放量；化工行业可通过绿氢替代方式解决碳排放问题；交通行业通过在公共交通、物流运输等领域使用绿氢，以氢代油加速脱碳进程。

1.3 “光伏治沙—绿电制氢—氢产业延伸”现状

“光伏治沙—绿电制氢—氢产业延伸”作为生态治理、沙产业、新能源产业、氢产业有机融合的新模式，是生态文明建设、产业与能源变革的融合与创新。目前，国内关于光伏治沙、可再生能源制绿氢、绿氢耦合下游产业的项目均已启动，虽然暂无三者融合的案例，但已奠定了该模式良好的基础。国家相继出台了有关政策规划，鼓励光伏治沙、规模化制绿氢及应用，相关示范项目也已在规划建设中。“十四五”期间，亿利洁能联合国家电力投资集团所属企业，将在内蒙古库布其沙漠亿利生态示范区，打造库布其光氢治沙零碳产业示范园，着力构建“光伏治沙+沙漠氢田+绿氢化工”绿色循环产业链新示范[3]。

2 “光伏治沙—绿电制氢—氢产业延伸”模式的驱动因素

光伏治沙产业与绿氢产业耦合催生出的新业态模式，一方面，突破生态环境困境，提高资源利用率；另一方面，则解决能源工业低碳清洁化转型升级问题。多重因素正驱动该模式步入快速轨道。

2.1 政策因素

能源革命是我国建设生态文明的战略选择和能源转型的重要着力点[3]。可再生能源是能源绿色低碳转型的主力，也是构建新型电力系统的主体。加快实施可再生能源替代是推进能源革命，和建清洁低碳、安全高效能源体系、实现“双碳”目标的重大举措。加快能源消费低碳化转型、促进绿色低碳同样也是我国产业变革方向。自2021年起，国家相继发布《工业领域碳达峰实施方案》等规划政策文件，提出加快推进以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设，充分发挥新能源的生态环境保护效益，大力推广生态修复类新能源项目。同时推动可再生能源规模化制氢利用，提高清洁能源利用比重和资源循环利用水平，推动新能源开发、输送与终端消费的一体化融合，推进化工、煤矿、交通等重点领域绿氢替代，加快工业绿色低碳技术变革。“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式符合产业政策导向，良好的政策环境有利于其迅速孵化并稳步扩大规模。

2.2 市场因素

我国能源消费不断向清洁低碳加快转型，煤炭消费比重从2014年的65.8%下降到2021年的56%，而同期清洁能源消费比重从16.9%上升到25.5%，占能源消费增量的60%以上。能源消费结构的转变，使可再生能源成为能源电力消费的增量主体。2021年10月份，在内蒙古、甘肃、青海、宁夏等地区集中组织开工了一批以沙漠、戈壁、荒漠地区为主的大型风电光伏基地项目，总规模近3 000万千瓦。2022年2月份，国家发改委、国家能源局印发的《以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地规划布局方案》中，计划以库布齐、乌兰布和、腾格里、巴丹吉林沙漠为重点，以其它沙漠和戈壁地区为补充，综合考虑采煤沉陷区，规划建设大型风电光伏基地。到2030年，规划建设风光基地总装机约4.55亿千瓦。这意味着光伏治沙远期市场增量极大，前景广阔。在“双碳”目标大背景下，钢铁、化工、交通等难以深度脱碳的行业，也正极力寻求绿色转型突破口。以绿氢为代表的清洁二次能源，正是助力“碳中和”的重要抓手。当前，我国电解水制取的绿氢仅占氢气总产能的4%，随着氢能在我国的战略定位及在工业等多领域助力脱碳作用的凸显，未来市场需求巨大。

2.3 技术因素

技术革新是推动“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式的重要因素之一。技术革新可带动区域经济增长，培育新的经济增长点，对于企业而言也是实现转型的内在需求。光伏治沙项目所在沙漠荒地条件恶劣，对沙漠治理和光伏设备、工程建设的适应性、可靠性和高效性提出了新的要求。对于绿电制氢及下游行业耦合，更高效的制氢设备、与前端波动的可再生能源有更好适配性的先进系统、更高效的化工合成催化剂、更先进的氢冶金工艺等技术创新，将更好地推动氢能应用。特定应用场景带来的各项技术创新及成本的下降，将为该模式提供更加广阔的空间。

2.4 社会因素

采用“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式，通过建设生态友好型光伏电站系统，保护和修复沙漠、戈壁、荒漠地区，改善当地生态、人居环境，实现新能源与生态融合。还可以效带动地区产业，提供就业机会，同时为区域经济提供稳定优质绿色电力支撑，推动地区工业绿色低碳转型。其所带来的生态效益、经济效益、社会效益可助力提升社会公众对产业的认知度、支持度与配合参与度。

3 新模式面临的挑战

虽然“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式前景广阔，但各环节仍面临诸多挑战。

3.1 生态修复方面

沙漠、戈壁、荒漠区域生态脆弱，生态环境一旦破坏难以恢复。光伏治沙作为工业治沙新态式，同样面临生态修复的挑战。沙漠、戈壁、荒漠区域干旱少雨的气候条件，增加了水分涵养难度和植被成活难度。同时，全球气候持续变暖带的影响也不容忽视，气候变暖会加剧治沙区域干旱程度，进而导致更大程度的荒漠化。干旱也会加剧沙尘暴灾害，进一步造成风蚀土壤，植被破坏。在生态环境极其脆弱的背景下，这种互为因果的连锁反应，可能会导致恶劣气候的恶性循环，增大生态修复的难度。

3.2 资源协同方面

“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式需要协同土地、水源、工业用户等多方资源。对于土地场景选择，极干旱地区沙漠自然条件较恶劣，降水极少，人口稀少，周边无规模化产业，用能需求低，不适宜该模式；周边有化工、钢铁冶炼等产业的干旱、半干旱沙漠地区则更适合该模式。绿电制氢需综合考虑水源问题，往往沙漠地区水资源较匮乏，无法有效支撑大规模制氢，在水资源方面需要因地制宜统筹规划。

3.3 技术应用方面

沙漠地区的风沙流动会对光伏板表面造成磨损，还会造成表面沙尘堆积，降低发电效率。用水清洗光伏组件表面沙尘将提升运维成本。流动性沙丘及沙尘暴，对电站的破坏性巨大。沙漠、戈壁和荒漠的高温、干旱、缺水、强风、沙暴和温差大等气候条件，对光伏电站系统设计、设备、运维等均提出更高要求。在光伏发电耦合制绿氢环节，高效低成本制氢技术、大规模物理储氢和化学储氢技术、大规模及长距离管道输氢技术、局部微网可再生能源制氢控制技术等，亟待进一步突破。而在绿氢耦合应用端，钢铁、石化等行业氢能冶金、绿色合成、绿氢规模化应用等低碳技术，尚处于过渡与探索应用阶段，短时间内攻克关键低碳技术尚存一些困难。

3.4 送出消纳方面

我国沙漠、戈壁和荒漠多数分布于西部北部地区，由于人口、产业布局等因素，光伏治沙项目所发电力在当地无法消纳，需依托在运、在建外送通道，送出依赖成本高昂的特高压工程。在当前经济下行压力的影响下，东部地区对西部的电力消纳出现放缓趋势。制备绿氢及延伸应用可作为就近消纳负荷的有效方式，实现电力低成本储存。但受制于成本、产业分布、工业用户负荷等因素，规模化应用仍需时间，消纳比例和经济效益无法在短期内提升。

3.5 政策标准及市场方面

虽然国家层面已经出台多项关于引导光伏治沙、绿电制氢及耦合应用的政策，但相关法律法规、财政金融激励措施仍有待进一步完善。地方资金政策等方面对产业的引导作用有待进一步加强。针对光伏治沙等生态修复类新能源项目的设计、施工、运维等标准体系，以及针对钢铁、化工等产业耦合绿氢的标准系统，有待建立和完善。市场需要培育互赢的产融合作生态体系，总结出适宜行业规模化、可复制的商业模式。

4 “光伏治沙—绿电制氢—氢产业延伸”模式的创新路径

4.1 明确创新方向

“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸” 作为一种可推广的低碳生态经济创新模式，将可再生能源、新兴二次能源、绿色低碳产业紧密结合，可以带动市场增量，激发技术创新活力，促进资源高效利用和能源消费结构转变。充分发挥西部北部地区资源优势，和沙漠、戈壁、荒漠地区土地优势，建设光伏治沙大型基地，严格遵循不涉及生态红线、依托外送通道与输送能力匹配、落实消纳市场、配套调峰措施等原则。在实现生态修复改善的基础上，因地制宜，统筹资源，协同上游可再生能源绿电制氢，耦合下游低碳绿色转型工业，优化产业用能结构，带动产业链延伸，实现绿电高比例就地消纳。

4.2 促进技术创新

以“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式为契机，充分发挥地方政策及财政资金的导向激励功能，以产业为主体，研究新型沙漠综合治理技术，开发恶劣环境适应性更强的新型光伏系统、高效储能技术、制储运氢技术、绿氢替代及规模应用等技术。通过培育市场，充分利用市场机制，引导社会资源向技术创新聚拢，促进技术创新、成果转化落地。

4.3 完善产业政策和标准体系建设

在“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式实践过程中，着力完善相关产业政策和标准体系建设，探索可复制推广的商业模式。积极推动引入绿色金融，以及多种融资渠道对该模式的支撑，推动设立政府投资基金、引导基金等方式，支持关键技术的研发、示范应用。

4.4 强化合作交流

注重激发各参与主体活力，强化“光伏治沙-绿电制氢-氢产业延伸”模式中，政府、企业、科研院所等各类参与主体合作机制体制，鼓励“产学研用”深度结合，鼓励企业与科研机构和产业园区等合作，形成市场化运作的绿色创新联盟，调动创新活力潜力，聚集优势创新资源。引导各方积极参与技术创新研究，推动成果转化落地，加强人才培养，健全专利保障制度。积极搭建交流平台，通过论坛研讨、项目开发等方式，推动国际交流合作，从环境、经济、社会等多维度探讨解决模式创新问题。