零碳電力對中國工業(yè)部門布局影響分析

姜克雋，向翩翩，賀晨旻，馮升波，劉昌義，譚新，陳莎，代春艷，鄧良辰

（1.中國宏觀經濟研究院能源研究所，北京市 西城區(qū) 100038； 2.北京工業(yè)大學環(huán)境與生命學部，北京市 朝陽區(qū) 100124；3.北京大學環(huán)境科學與工程學院，北京市 海淀區(qū) 100871； 4.全球能源互聯(lián)網集團有限公司，北京市 西城區(qū) 100031；5.重慶工商大學長江上游研究中心，重慶市 南岸區(qū) 400067）

0 引言

2015年通過的《巴黎協(xié)定》最富有成果的內容是確立了全球2100年和工業(yè)化前的1850年相比溫升控制在2℃以下的目標，并提出了更加有雄心的“把溫升控制在2℃的基礎上向1.5℃努力”的目標（以下分別簡稱“2℃目標”“1.5℃目標”）。2019年，歐盟提出了2050年實現(xiàn)溫室氣體中和的戰(zhàn)略路線圖[1]，隨后很多行業(yè)已經開始制定短期的具體行動方案和對策，使得這個目標不只是一個長期目標，而是近期就已啟動的實際行動。2020年6月，美國眾議院氣候危機特別委員會提出了2050年實現(xiàn)凈零排放的路線圖。2020年9月，習近平主席在聯(lián)大會議上宣布中國力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和。根據(jù)筆者的研究，中國的碳中和目標和巴黎協(xié)定目標相一致。

如果要實現(xiàn)碳中和，工業(yè)部門中一些難以減排的行業(yè)需要采用新的低碳或零碳生產工藝來實現(xiàn)減排。氫是大部分石油化工產品的組分和原料，且是很好的零碳還原劑，因此氫將在未來工業(yè)深度減排中扮演重要角色[2-3]。

目前，利用氫實現(xiàn)減排的工業(yè)部門正在逐漸擴展。例如，鋼鐵行業(yè)已經投入使用的直接還原鐵（DRI）工藝，就是利用氫替代傳統(tǒng)含碳還原劑。2020年，位于中國寧夏的60萬t DRI鋼鐵冶煉廠投入生產。此外，其他國家正在建設安裝的DRI工藝生產設備就達十多套。氨（NH3）是以氫為原料最容易合成的化工產品之一，在合成氨的過程中，利用電解水制氫替代傳統(tǒng)化石燃料制氫，可以縮減其生產流程，并大幅減少大氣污染物排放。甲醇（CH3OH）生產和合成氨工藝類似，也可采用零碳或低碳制氫技術進行替代?，F(xiàn)階段，中科院研究團隊正在甘肅進行利用捕獲的二氧化碳（CO2）加氫生產甲醇的研究。甲苯（C7H8）的生產也相對容易，既有工藝就可以實現(xiàn)。利用氫和碳直接生產乙烯（C2H4）還在研究中。

目前，最具潛力的零碳制氫技術是利用可再生能源發(fā)電電解水制氫?，F(xiàn)有技術電解1 m3氫氣需要5 kWh電能，未來可以下降到2.8 kWh，同時電解水設備成本也將明顯下降。當光伏發(fā)電成本下降到0.15元/kWh以下時，用電解水制氫來供應上述化工品生產，其成本可以和既有供氫技術競爭。預計2025年太陽能富集地區(qū)的光伏發(fā)電成本將使電解水制氫技術具備成本競爭力[4]。電解水制氫技術的商業(yè)化發(fā)展，將給工業(yè)產業(yè)帶來變革。本文以實現(xiàn)全球1.5℃溫升目標下排放路徑為場景，分析未來的低成本零碳電力發(fā)展對中國一些產業(yè)發(fā)展布局的影響。

1 研究方法

1.1 研究框架

為了分析未來受影響工業(yè)部門的再布局，首先利用IPAC-AIM/技術模型（IPAC：Integrated Policy Assessment Model for China；AIM：Asian Integrated Assessment Model）分析這些工業(yè)部門的技術發(fā)展趨勢和排放，得到實現(xiàn)1.5℃溫升目標下的排放路徑。再利用IPAC-AIM/省份模型進行31個省級行政區(qū)的行業(yè)布局研究，分析能夠提供綠氫（零碳電力制氫）作為原料和還原劑的可再生能源區(qū)域，以及行業(yè)利用碳捕集與封存（carbon capture and storage，CCS）的潛力，納入交通運輸距離的成本，進行產品的市場競爭分析，得到2050年在實現(xiàn)1.5℃溫升目標下的中國主要行業(yè)的布局。

1.2 計算模型

IPAC-AIM/技術模型對能源服務及其設備的現(xiàn)狀和未來發(fā)展進行詳細描述，對能源消費過程進行模擬。它主要計算未來各種情景下各終端能源部門的分品種能源需求量，進而計算出CO2和其他溫室氣體，以及大氣污染物相關氣體的排放量。它的一個重要作用是評價不同的技術對策對技術發(fā)展和溫室氣體減排的影響[5-8]。

IPAC-AIM/技術模型采用最小成本法進行分析，即具有所設置的各種成本最小的技術能夠被選中以提供能源服務。模型中采用了線性規(guī)劃方法，并非從單個的技術、而是從工藝系統(tǒng)的觀點進行分析，能夠分析復雜能源使用過程。在模型分析中，通過假設不同的需求與方法設置各種參數(shù)，以擴大分析涵蓋的范圍。如技術運行成本由過程中的各種投入組成，可以根據(jù)不同情況包括能源投入、原料投入以及勞動力投入等其他投入，使技術成本分析更接近實際情況。圖1給出了IPAC-AIM/技術模型框架。

IPAC-AIM/技術模型是一個全國模型，目前包括55個部門，近800種技術，覆蓋了開采、能源加工轉換、消費環(huán)節(jié)。IPAC-AIM/省份模型包括31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市），以及香港特別行政區(qū)、澳門特別行政區(qū)和臺灣省的區(qū)域模型。IPAC-AIM/省份模型的原理和IPAC-AIM/技術模型相同，劃分的部門也相同，但是技術數(shù)量為450個左右。

圖1 IPAC-AIM/技術模型框架Fig.1 Model framework of IPAC-AIM/technology

2 零碳電力與鋼鐵和石化行業(yè)脫碳的關聯(lián)

2.1 氫基產業(yè)分析

根據(jù)IPAC模型研究，實現(xiàn)2050年碳中和，對中國的一些行業(yè)影響巨大。這些潛在被影響的行業(yè)包括能源供應、鋼鐵、合成氨、乙烯、甲醇、甲苯等化工和石化業(yè)、交通業(yè)等[9]。對于高排放、難減排的鋼鐵和石化行業(yè)，主要采用低碳或零碳技術來實現(xiàn)減排。目前，鋼鐵和石化行業(yè)減碳除了CCS技術，有潛力的零碳技術都是氫基的，利用氫作為還原劑或原料，如DRI技術。

目前的零碳制氫方法包括可再生能源電解水制氫和生物質制氫。由于中國生物質制氫原料分散、轉化率低且會產生酸性大氣污染物等限制條件，本研究不考慮生物質制氫技術。

由于既有生產工藝也可以通過CCS技術實現(xiàn)近零排放，本研究在計算時考慮了既有工藝引入CCS的技術路線。根據(jù)文獻[10]研究結果，未來CCS技術封存CO2的成本即使能降到200～400元/t，其使用還將受限于當?shù)谻O2存儲條件，如果沒有適合的存儲條件，就需要更長距離運輸，導致更高的成本。

基于中國經濟發(fā)展、產業(yè)結構調整以及居民物質需求，使用IPAC-AIM模型對這些產品進行了實物量的投入產出分析[7]，具體未來產量見表1。其中，對二甲苯（PX）未來將主要基于乙烯和甲醇工藝生產。

根據(jù)文獻[9]的研究結果，到2050年，在綜合考慮原材料供應（如鐵礦石、廢鋼等）、運輸成本、采用CCS時的CO2存儲條件等綜合成本后，中國要實現(xiàn)鋼鐵、合成氨、乙烯、甲醇、苯的零碳生產，每年需要綠氫2670萬t。

表1 中國主要氫基產業(yè)產品產量情景Table1 Output scenario of hydrogen based products in China

2.2 零碳電力成本分析

氫基減排技術的商業(yè)化發(fā)展需要合理的成本，其中氫供應成本在氫基減排技術成本中占主導地位，進而決定了未來氫基產業(yè)的布局。研究中設定氫的生產和使用都在本地進行，氫供應成本主要取決于制氫成本，包括電解水制氫設備成本與電力成本[11]。在實現(xiàn)1.5℃溫升目標下，中國的可再生能源電力、核電等零碳電力將會成為主導能源，其中除水電外的其他發(fā)電類型成本將顯著下降[12]。

因此，在碳中和目標下，鋼鐵和化工產業(yè)的布局將與低成本的零碳電力緊密關聯(lián)。經過IPAC-AIM模型分析，如果可再生能源電力的價格低于0.15元/kWh，氫基產業(yè)生產技術與既有生產工藝相比將有很大的競爭力。因而，本文的分析選擇0.15元/kWh作為標準評估未來零碳電力供應潛力和布局。

未來低成本零碳電力主要包括光伏、風電、水電以及核電。在這些發(fā)電方式中，目前光伏發(fā)電成本最低，在2020年7月的國際新項目中，上網電價已經0.1元/kWh左右，資源豐富地區(qū)光伏發(fā)電有望低至0.1元/kWh以下。風電目前最低成本也已經可以接近0.2元/kWh，未來還將進一步下降。核電在第三代技術規(guī)?；ㄔO以后，成本有可能下降到0.25元/kWh。考慮到核電發(fā)展地區(qū)的不確定性，水電的成本下降空間不足，同時水電的布局也和目前的產業(yè)布局不相匹配，風電成本下降潛力有限，光伏發(fā)電成為大規(guī)模制氫最具成本優(yōu)勢和可能性的零碳電源。同時，從電力系統(tǒng)運行角度，大規(guī)模的光伏制氫和當?shù)貧浠a業(yè)也可以作為一種靈活性和備用資源。

2.3 低成本光伏發(fā)電的地域分布和制氫潛力

中國太陽能資源地區(qū)性差異較大，總體上呈現(xiàn)高原、少雨干燥地區(qū)大，平原、多雨高濕地區(qū)小的特點。2019年，中國東北西部、華北北部、西北大部和西南中西部年水平面總輻照量超過1400 kWh/m2。其中甘肅西部、內蒙古西部、青海北部、西藏中西部年水平面總輻照量超過1750 kWh/m2，太陽能資源最豐富；新疆大部、內蒙古大部、甘肅大部、寧夏、陜西北部、山西北部、河北中北部、青海東部、西藏東部、四川西部、云南大部、海南等地年水平面總輻照量1400～1750 kWh/m2，太陽能資源很豐富[13]。表2為IPAC模型組估算的中國2030年后典型地區(qū)低成本（低于0.15元/kWh）光伏開發(fā)潛力及對應的可制氫量。新疆、青海和甘肅等光伏資源豐富地區(qū)的可制氫量巨大。

表2 2030年典型地區(qū)低成本（低于0.15元/kWh）光伏裝機容量、發(fā)電量以及可制氫量（IPAC模型情景）Table2 Installed capacity,power generation and hydrogen output potential in typical regions in China with power generation cost lower than 0.15 yuan/kWh (IPAC Model Scenario)

3 零碳電力對經濟工業(yè)部門布局影響的分析

圖2—圖8給出了利用IPAC模型的計算結果，展示了中國主要氫基產業(yè)目前和2050年布局的變化情況。如2.1節(jié)所述，模型計算時考慮了產品成本、運輸成本等以及CCS技術，未考慮生物質制氫技術。

可以看出，這些基礎工業(yè)的布局出現(xiàn)了明顯的變化。在實現(xiàn)深度減排情景中，可以利用氫作為原料的產業(yè)明顯出現(xiàn)了轉向可再生能源富集地區(qū)的趨勢，而在沒有良好的可再生能源資源、同時又缺乏CCS應用基礎的地區(qū)，原有石油天然氣為基礎的產業(yè)就會出現(xiàn)明顯的萎縮。

不同行業(yè)實現(xiàn)深度減排時考慮的因素不同。粗鋼未來生產分布主要取決于粗鋼需求地、鐵礦石供應地、綠氫成本、運輸成本以及CCS成本。圖9給出了考慮上述因素的中國未來粗鋼生產情景。各地區(qū)利用CCS的潛力受當?shù)谻O2存儲條件的影響，如果要減少輸送CO2的成本，就需要選擇在CO2存儲條件較好的地區(qū)。根據(jù)相關研究[10]，中國CO2存儲富集地區(qū)多在華北和東北，而南方相對缺乏。因此，對于綠氫成本高、且缺乏CO2存儲條件的中國南方和東部能源消費中心來說，需要較多考慮利用電爐鋼工藝。

合成氨的分布主要由綠氫成本和運輸成本決定。乙烯、苯、對二甲苯的布局則主要由綠氫的成本決定。所有這些產品生產布局也考慮了下游產品生產的再布局，以及隨之而來的運輸成本。

中國可再生能源資源豐富，特別是光伏。根據(jù)光伏資源的分布，加之未來光伏發(fā)電組件的成本預計會持續(xù)下降到2000元/kW以下，使得中國光伏發(fā)電成本可以達到0.07～0.2元/kWh。盡管風力發(fā)電成本也有達到0.1元/kWh的潛力，但其布局有限，而低成本光伏的布局很廣泛（如表2所示）。但是在考慮不同區(qū)域運輸成本時，可以根據(jù)光伏成本的布局來開發(fā)不同的產品，甚至利用核電來電解制氫生產化工產品。

圖2 粗鋼生產分省布局Fig.2 Distribution of raw steel output by provinces

圖3 乙烯生產分省布局Fig.3 Distribution of ethylene output by provinces

圖4 合成氨生產分省布局Fig.4 Distribution of ammonia output by provinces

圖5 甲醇生產分省布局Fig.5 Distribution of methanol output by provinces

圖6 苯生產分省布局Fig.6 Distribution of benzene output by provinces

圖7 對二甲苯（PX）生產分省布局Fig.7 Distribution of PX output by provinces

圖8 氫生產分省布局Fig.8 Distribution of hydrogen output by provinces

圖9 中國粗鋼生產情景Fig.9 Output of raw steel by processes in China

4 結論

碳中和目標會明顯影響未來一些產業(yè)的生產工藝。對于工業(yè)部門中難以減排的行業(yè)，如鋼鐵、水泥、合成氨、乙烯、苯、甲醇等，要實現(xiàn)深度減排，氫基產業(yè)將是一個重要選項。綠氫的供應將明顯影響這些產業(yè)采用氫工藝的成本，進而影響產業(yè)的區(qū)域布局。通過本研究可以看出，未來中國主要基礎產業(yè)的布局出現(xiàn)了明顯的變化，在考慮多種實現(xiàn)產業(yè)深度減排技術（如CCS）的情況下，不少產業(yè)都將轉向可再生能源富集和低成本地區(qū)，特別是光伏發(fā)電成本優(yōu)勢地區(qū)，以實現(xiàn)本地光伏發(fā)電、制氫、產品制造的系列化。這些產業(yè)的轉移也將進一步帶動下游產業(yè)的轉移，本地生產下游產業(yè)的產品，使得運輸成本能夠被更好消化。這樣的格局將導致碳中和目標下中國工業(yè)部門布局發(fā)生變革，中國的經濟和產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略應有所準備。同時，產業(yè)布局的變化與國家西部開發(fā)和東北振興戰(zhàn)略相一致。

值得注意的是，歐盟、美國等都已經進行了氫基產業(yè)戰(zhàn)略部署[14]，而中國尚處于討論中。為了不在新的技術和經濟發(fā)展中落后，需要在國家科技研發(fā)以及產業(yè)應用中盡快推進部署。

未來碳中和目標下的減排更多的是技術和經濟的競爭，與能源轉型相比，碳中和目標將對經濟帶來更為明顯的影響[9,15]。因而未來碳中和目標下經濟和行業(yè)如何發(fā)展將是一個重要的研究議題，也是新型氣候變化經濟學的研究內容。工業(yè)產業(yè)的再布局會對國家經濟發(fā)展產生深遠的影響，為了引導近期投資方向，目前就應明晰與碳中和目標相一致的產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，促進國家經濟高質量發(fā)展。產業(yè)再布局也會帶來人口的再布局，因而也需要社會發(fā)展戰(zhàn)略與之相適應。