基于情景分析的中國氫能產業(yè)中長期預測研究

曹 勇，羅大清，劉瀟瀟，王 盼，程 諾，乞孟迪

（中國石化集團經濟技術研究院有限公司，北京 100029）

進入21世紀以來，為應對全球氣候變化，主要國家提出了到本世紀中葉實現(xiàn)碳中和的發(fā)展目標，低碳足跡氫能被認為是推動能源結構調整、產業(yè)轉型升級和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關鍵之一，受到了廣泛重視。近年來，氫能產業(yè)發(fā)展熱度持續(xù)提升，全球已有40多個國家或地區(qū)制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略或路線圖，從加快能源轉型步伐、搶占未來產業(yè)制高點、保障能源安全、培育經濟新增長點等戰(zhàn)略角度出發(fā)，積極推動產業(yè)轉型發(fā)展，從源頭減碳到終端應用，氫能產業(yè)正在進入一個目標更明確、動力更強勁、范圍更廣泛、影響更深遠的新發(fā)展階段[1-2]。

1 中國氫能產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

中國是全球最大的氫氣產銷國。從供給側看，2022 年氫氣產量約3 500 萬噸，占全球總產量的3 成，氫氣生產以化石能源制氫為主，煤直接制氫的產量占65%，天然氣直接制氫約占13%，工業(yè)副產氫占22%，主要來自煉油、煉焦和氯堿等行業(yè)的工業(yè)裝置，綠電專門制氫占比不到1%。從消費側看，氫氣絕大部分用作工業(yè)原料，僅少部分作燃料使用，其中，工業(yè)部門用氫占比94%，以化工和煉油為主，電力部門占3%，建筑部門占2%，交通部門直接用氫占比不到1%。我國低碳氫能生產應用規(guī)模較小，產業(yè)發(fā)展尚處于初級階段，但發(fā)展勢頭良好，據不完全統(tǒng)計，截至2023年底，我國已披露規(guī)劃建設的綠氫項目數量多達300 個，遠期產能超過400 萬噸/年，綠氫具備更加廣闊的發(fā)展空間。

我國氫能產業(yè)的轉型發(fā)展雖已取得積極進展，但基礎尚不穩(wěn)固。面臨的主要瓶頸，一是氫源結構以化石能源制氫為主，煤制氫規(guī)模大、碳排放強度高，專門制氫環(huán)節(jié)每年排放CO2約5 億噸，而綠氫生產處于起步階段，經濟性有待提升。二是氫能應用場景有待豐富，基于低碳氫能的減碳方案缺乏比較競爭力，加之當前碳價水平相對較低，氫能在難減碳領域實現(xiàn)深度脫碳的滲透率不高。三是氫儲運體系建設尚處于起步階段，氫能基礎設施相對不足，缺乏長距離、規(guī)?；斔湍芰?，儲運環(huán)節(jié)成本較高。四是關鍵環(huán)節(jié)氫能技術裝備自主化、國產化水平有待提高，部分核心零部件和基礎材料依賴進口，國產化產品商用成熟度與國外先進水平相比仍有一定差距，亟需提升國產化替代水平和應用規(guī)模。

自我國提出“雙碳”目標以來，國家出臺一系列重要文件，形成了碳達峰碳中和政策和行動保障體系，明確指出了氫能產業(yè)的發(fā)展方向。2021年發(fā)布的《中共中央 國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》提出，統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展，加強氫能生產、儲存、應用關鍵技術研發(fā)、示范和規(guī)?；瘧谩?022年國家發(fā)布《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035）》，強調了氫能作為工業(yè)原料和能源的屬性，在我國能源綠色低碳轉型中的戰(zhàn)略定位，以及對保障我國能源安全、構建新型能源體系、推動能源綠色低碳轉型的戰(zhàn)略意義，描繪了我國氫能產業(yè)中長期發(fā)展的藍圖。隨著國家積極完善氫能產業(yè)政策和標準體系，統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展，行業(yè)企業(yè)不斷加大科技研發(fā)投入，在工業(yè)、交通和建筑等新興領域開展氫能科技創(chuàng)新、示范應用和基礎設施建設，氫能產業(yè)正在邁入以綠色化、低碳化、多元化和高端化為特征的新發(fā)展階段。

在“雙碳”目標引領和能源低碳轉型的戰(zhàn)略部署下，氫能產業(yè)正在成為深入踐行能源安全新戰(zhàn)略、構建清潔低碳、安全高效能源體系的重要抓手。發(fā)展氫能產業(yè)，有利于推動能源生產和消費革命，減少對化石能源的依賴，滿足難脫碳領域的清潔用能需求，構建更可持續(xù)、更具環(huán)境友好特性的新型能源體系，助力能源行業(yè)達成國家戰(zhàn)略目標。為深入研判氫能產業(yè)發(fā)展趨勢，有必要針對氫能產業(yè)的發(fā)展空間和碳減排效用開展中長期預測研究。

2 氫能產業(yè)中長期預測方法

目前，氫能產業(yè)發(fā)展環(huán)境存在諸多不確定性因素。全球地緣政治格局、國家戰(zhàn)略目標、經濟社會發(fā)展、產業(yè)政策導向、科技革命浪潮和資源環(huán)境約束等始終處在持續(xù)演進的狀態(tài)之下，增加了研判氫能產業(yè)外部環(huán)境的難度。在世紀大變局與能源革命、產業(yè)變革相伴發(fā)展的背景下，國家安全、產業(yè)安全和能源安全問題相互交織，化石能源與非化石能源等不同能源品種的競合發(fā)展存在較大變數，進一步加大了氫能產業(yè)關鍵路徑和部署節(jié)奏的研判難度。

課題組歸納提煉能源轉型與經濟社會發(fā)展之間的歷史規(guī)律，結合我國對經濟社會發(fā)展重大目標的戰(zhàn)略預期以及對能源行業(yè)發(fā)展目標的基本要求，以能源體系在安全穩(wěn)定、經濟高效和綠色低碳方面取得“能源三角動態(tài)平衡”作為產業(yè)研判的出發(fā)點和落腳點，厘清氫能產業(yè)關鍵發(fā)展路徑和主要應用情景，科學設定情景分析的邊界條件和參數指標，形成氫能未來需求前景的認識和判斷?；趯Ξa業(yè)發(fā)展規(guī)律的初步認識，在中國石化集團經濟技術研究院有限公司發(fā)布的《中國能源展望2060》報告基礎上，提出了氫能產業(yè)發(fā)展未來可能存在的3種情景（見表1）[3]。

表1 氫能產業(yè)研究情景設定

根據氫能在能源體系中的發(fā)展定位，結合能源轉型發(fā)展大勢，在對我國中長期經濟社會發(fā)展、產業(yè)政策環(huán)境、技術演進迭代和資源環(huán)境約束等做出合理假設的基礎上，識別氫能在能源體系中的角色變化，搭建氫能消費預測模型，構建了貫通生產側和消費側的氫能供需預測體系研究框架（見圖1），以氫能產業(yè)鏈技術經濟性分析為基礎，厘清影響氫能應用及關鍵產品供需的主要因素，研判了氫能產業(yè)發(fā)展路徑，形成了預測我國主要用能部門的氫能需求的方法學。以氫能在我國實現(xiàn)“雙碳”目標進程中的貢獻度為核心研究目標，開展了氫能產業(yè)中長期預測研究。

圖1 氫能供需預測體系研究基本框架

采用網格分層均衡預測方法，開展氫能分部門需求預測研究（見圖2）。首先，將氫能整體需求拆分為由多個應用場景組成的需求端網格，既分析氫氣直接消費，也分析氫能主要產品帶來的間接消費。圖2 中，藍色字體網格的工業(yè)用氫、交通用氫、建筑用氫等為直接用氫，而紅色字體網格的交通用氨、交通用甲醇、工業(yè)用氨等為間接用氫。其次，研判不同網格的氫能需求潛力，并與《中國能源展望2060》分部門能源消費銜接，對偏離基本國情的需求數據進行合理修正，針對氫能產業(yè)層與能源系統(tǒng)層開展平衡分析，包括氫能分部門消費與終端能源分部門消費的均衡匹配，氫能總消費與氫能總供給的均衡匹配，以及氫能總供給與全國一次能源消費的均衡匹配，確保需求數據保持在合理區(qū)間。

圖2 網格分層均衡預測模型

在關鍵情景假設基礎上，提出了我國氫能產業(yè)分階段轉型發(fā)展的初步設想。

1）近期到2025 年。初步建立氫能產業(yè)鏈供應鏈體系，完善政策環(huán)境和標準體系，基本掌握核心技術和制造工藝，形成氫能多元應用方案。主要舉措：以“就近部署”為原則開發(fā)氫能示范項目，聚焦探索場景和降低成本。在可再生資源條件優(yōu)越地區(qū)開發(fā)電氫一體化項目，以“就地轉化”降低綠電制氫成本。緊鄰綠電綠氫基地開展先導示范應用，以“就近利用”降低儲運環(huán)節(jié)成本。依托“水風光”等多能互補綠電項目提高綠電供應可靠性，提升電解水制氫裝置利用率。針對風光發(fā)電帶來的非穩(wěn)態(tài)電力，優(yōu)化電解槽制氫技術裝備和工藝控制水平，提高工廠運行效率。初步打通藍氫發(fā)展技術路徑，積極開發(fā)工業(yè)副產氫資源，推進建設區(qū)域低成本供氫中心，滿足交通、冶金等新興領域用氫需求。

2）中期到2035 年?；窘ǔ涩F(xiàn)代化的氫能產業(yè)體系，可再生氫成為氫能供給消費的增量主體，初步形成氫能多元應用生態(tài)。主要舉措：以“用氫減碳”為導向激發(fā)氫能發(fā)展?jié)摿Γ訃捞寂欧拧半p控”考核，完善碳市場交易機制，逐步提高碳排放成本，倒逼重點行業(yè)加快減碳進程，在難脫碳領域形成有效市場需求。在具備資源和市場條件地區(qū)，擴建低碳氫生產基地，形成跨地區(qū)長距離輸送能力，優(yōu)化氫能區(qū)域儲存調配和輸送網絡，更好滿足多行業(yè)多領域用氫需要。在高比例可再生電力環(huán)境下，依靠低成本、規(guī)?；瘍δ艿燃夹g，克服綠電波動性給綠氫生產應用帶來的挑戰(zhàn)。結合綠證、國家核證自愿減排量（CCER）等政策工具，打通綠氫減碳價值鏈，擴大下游用氫需求。

3）遠期到2060年。建成以綠色化、低碳化、多元化和高端化為特征的氫能產業(yè)體系，可再生氫成為氫能供給和消費的主體，氫經濟成為低碳循環(huán)經濟的重要組成部分，并為實現(xiàn)碳中和目標提供有力支撐。主要舉措：以“氫能社會”為目標提升氫能發(fā)展質量。構建集中式與分布式協(xié)同互濟的氫能供給體系、規(guī)?；瘍\和靈活性配送協(xié)調發(fā)展的氫能儲運體系，建設可高效連通氫能供給、氫能消費、氫能貿易、科技創(chuàng)新和裝備制造等各方力量的跨區(qū)域、跨行業(yè)“氫能走廊”，優(yōu)化氫能資源的市場化配置。在產業(yè)政策引導下，面向工業(yè)、交通、電力和建筑等主要用能部門的難減碳重點領域，加快低碳氫能應用部署步伐，打開產業(yè)發(fā)展新空間。

3 中國氫能產業(yè)發(fā)展空間研判

整體看，“雙碳”目標將對中國氫能產業(yè)發(fā)展產生巨大推動效應。從碳達峰到實現(xiàn)碳中和，我國年均新增CO2減排量需達3 億噸，這將為氫能發(fā)展帶來重大機遇。初步測算，基準情景下，我國氫能需求將從2020年的3 173萬噸增至2060年的約8 600 萬噸（見表2），屆時氫能占終端能源消費的比重將達12%。從產業(yè)自身看，無論在何種情景之下，氫能若要在碳中和進程中發(fā)揮重要作用，都必須持續(xù)降低氫能開發(fā)利用成本，不斷提升氫能在關鍵減碳路徑中的整體能效，在難脫碳領域形成比較競爭力。同時，無論在何種能源轉型路徑中，氫能都具備一定的技術適用性，能夠通過自身的綠色低碳轉型和多元化應用，為我國構建新型能源體系，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的綠色低碳和安全穩(wěn)定貢獻力量。

表2 中國氫能供需預測數據表（基準情景） 萬噸

3.1 氫氣供給側方面

從目前到2060年的預測期內，灰氫減碳轉型和綠氫規(guī)模發(fā)展是行業(yè)發(fā)展主線，能源綠色低碳轉型將推動氫源低碳化從量變到質變。

一是化石能源制氫規(guī)模將在“雙碳”目標約束和碳價上行等因素制約下，于2030年前達峰后逐步下行。2020年我國化石能源專門制氫規(guī)模約2 500 萬噸，占全國氫氣總產量的78%；2030 年后，化石能源專門制氫量將從2 800多萬噸峰值逐步下行，到2050年降至峰值水平的一半以下，直至2060 年灰氫基本退出，剩余約600 萬噸產量將全部為配套碳捕集裝置的藍氫，相當于2020年化石能源專門制氫規(guī)模的1/4。

二是可再生能源制氫將逐步成長為我國的主力氫源。隨著我國可再生能源的規(guī)模發(fā)展，以及綠電制氫技術裝備的快速迭代，可再生氫規(guī)模將保持較快增長，到2040年前可再生能源占我國專門制氫用能的比重將增至50%，到2060年我國專門制氫的用能結構將轉變?yōu)榛茉凑急?%，非化石能源占比93%，其中可再生能源占比將突破80%，風能太陽能制氫占專門制氫總量的比重達2/3。到2060年我國專門制氫產量將達8 280萬噸，其中可再生能源制氫規(guī)模約7 300 萬噸，相當于2020年化石能源專門制氫規(guī)模的2倍。

三是制氫用能占一次能源消費和電力消費的比重將快速提升。2020年我國專門制氫用能約占一次能源消費總量的3%，隨著氫氣生產規(guī)模的提升，預計到2045年制氫用能占比接近10%，到2060年增至18%。電解水制氫用電占全國總用電比重也將持續(xù)攀升，從2020 年的不到0.1%增至2045年的10.0%，2060年進一步增至21.0%。

3.2 氫能需求側方面

預測期內，工業(yè)領域用氫多樣化和終端用氫部門多元化是行業(yè)發(fā)展主線，氫能應用將為難脫碳領域提供解決方案。從發(fā)展態(tài)勢看，2020年我國氫能消費規(guī)模約為3 173萬噸，折1.3億噸標煤，占我國終端能源消費比重為3.8%。到2030年，我國氫能消費規(guī)模將增至3 810萬噸，折1.6億噸標煤，占我國終端能源消費的比重為3.9%。這期間，氫能產業(yè)主要圍繞制氫新工藝、儲運新技術和用氫新領域開展技術攻關，為接下來的規(guī)模部署打好基礎。我國達成碳達峰目標后，在資源、技術和政策條件支撐下，隨著碳價提升，氫能將在主要部門難脫碳領域加速滲透，應用規(guī)?？焖偬嵘?。基準情景下，到2060年，我國氫能需求規(guī)模將增至約8 600萬噸，折合3.5億噸標煤，占我國終端能源消費的比重將達到12%（低情景和高情景下分別為11%和15%）。

在研究提出的高中低3 種情景下，氫能都將在終端領域逐步實現(xiàn)多元應用。2020年，我國氫能消費基本以工業(yè)部門為主，占比94.5%，電力部門占比3.2%，主要來自焦爐煤氣發(fā)電，建筑部門占比1.4%，交通部門占比0.9%。到2030年，氫能消費結構將變?yōu)楣I(yè)部門（不含發(fā)電）占比93%，電力部門占比3%，交通部門占比2%，建筑部門占比2%，與2020 年消費結構相比變化并不明顯，主要原因在于，這期間氫能仍處于技術降本攻堅期。2035年后，隨著應用成本的快速降低，低碳氫能將在工業(yè)、交通等領域率先推廣應用，多元發(fā)展進入快車道[4]。到2060年，分情景看，我國氫能需求總量分別為基準情景8 600萬噸、高情景10 200 萬噸、低情景7 500 萬噸。氫能在工業(yè)（不含發(fā)電）、交通、電力、建筑（含農業(yè)）部門的消費比重將分別為：基準情景57%、28%、10%和5%，高情景54%、31%、10%和5%，低情景62%、25%、8%和5%。我國氫能消費結構展望（以基準情景為例）見圖3。

圖3 我國氫能消費結構展望（以基準情景為例）

一是工業(yè)部門用氫規(guī)模將穩(wěn)健增長，該部門將長期保持氫能應用的主體地位。低碳氫能將通過調結構、促減排和多固碳等方式，為難減排工業(yè)領域實現(xiàn)深度脫碳提供解決方案。在這一進程中，氫能在工業(yè)部門的應用將從化工和煉油等傳統(tǒng)領域向冶金、建材等新興領域有效延伸，助力打造中國特色新型工業(yè)體系。目前，工業(yè)用氫以原料利用為主，未來將向燃料利用拓展，氫能需求規(guī)模將從2020年的3 000萬噸增至2060年的4 500 萬噸。其中，化工用氫規(guī)模基本穩(wěn)定，煉油用氫將在達峰后逐步降低，鋼鐵用氫規(guī)模持續(xù)增長，到2060年將成為僅次于化工的工業(yè)用氫領域。氫能占工業(yè)用能比重將從2020 年的5%增至2060年的11%。

二是交通用氫規(guī)模將快速提升，該部門將成為僅次于工業(yè)的第二大用氫部門，氫能交通將與純電動交通攜手打造“零碳”交通體系。2020年交通用氫主要來自甲醇等氫基燃料，終端氫氣直接用量不足1 萬噸；2025 年后，技術降本和場景擴大推動氫能應用加快發(fā)展；2040年后，低碳氫能步入成熟，用氫規(guī)模大幅增加；2060年形成道路交通用能為主、水路和航空多元發(fā)展的態(tài)勢，氫能需求規(guī)模將達2 800萬噸，占交通用能比重從2020年的0.1%增至27.0%。

三是建筑部門用氫將立足既有和新增氫能基礎設施，拓展熱電聯(lián)供。氫能應用將為城鎮(zhèn)碳中和提供關鍵助力，成為“冷熱電氣氫”多能融合終端服務體系的重要一員，在零碳建筑建設中發(fā)揮重要作用。建筑用氫需求來自居民和商業(yè)設施的綜合能源服務，包括天然氣摻氫和氫燃料電池熱電聯(lián)供等。目前，建筑部門用氫以人工煤氣為主，2030年前低碳氫能在建筑領域的應用規(guī)模較小，以試點示范為主。2040年后，隨著低碳氫經濟性提升，用氫規(guī)模將逐步增至250 萬噸左右。2050 年達到500 萬噸峰值后，在人口下行等因素影響下逐步降低，到2060 年降至340 萬噸，占建筑部門用能的比重將維持在2%～3%。

四是電力部門將逐步建立電氫耦合體系，氫能將為新型電力系統(tǒng)提供靈活性和安全性保障。電氫耦合轉換將在遠期為電力系統(tǒng)提供靈活性、穩(wěn)定性和安全性。目前，發(fā)電用氫以焦爐煤氣副產氫為主，預計碳達峰階段年均用氫規(guī)模約100萬噸；到2040年，在摻氨發(fā)電、摻氫發(fā)電和氫燃料電池熱電聯(lián)產帶動下，用氫規(guī)模將超過200 萬噸；到2060 年突破800 萬噸，在靈活調峰和供電應急保障等方面發(fā)揮重要作用。

3.3 氫能應用對實現(xiàn)碳中和目標的貢獻

預測期內，我國氫能產業(yè)將完成從碳排放大戶到碳中和解決方案重要貢獻者的角色轉換。2020 年我國化石能源專門制氫的CO2排放量近5 億噸，約占全國能源活動相關CO2排放總量的5%，氫能產業(yè)尚不能承擔碳減排的重任。2030年后，氫能多元應用將推動氫能產業(yè)在終端消費側的CO2減排效用快速突破1 億噸大關；到2045 年進一步增至4 億噸，超越同期供給側專門制氫的碳排放量，氫能產業(yè)發(fā)展將進入對我國實現(xiàn)碳中和目標做出凈貢獻的新階段。到2060年，氫能在消費側的年度碳減排效用將達7.8億噸CO2，扣除當年供給側藍氫生產捕集封存的CO2，最終可形成約6.2億噸CO2的凈碳減排貢獻（低情景和高情景下分別為4.1億和7.6億噸CO2）。

4 結語

新一輪工業(yè)革命浪潮下，低碳氫能產業(yè)即將成為推動能源革命的重要賽道和培育經濟新增長點的重要戰(zhàn)略選擇。我國已將氫能定位為未來國家能源體系的重要組成部分，氫能產業(yè)被列入戰(zhàn)略性新興產業(yè)和未來產業(yè)重要發(fā)展方向。氫能產業(yè)的高質量發(fā)展需要建設三大基石：一是供給側的氫氣生產減碳降本，逐步實現(xiàn)低碳化、低成本化和制氫技術多元化，為下游擴大低碳氫應用提供資源保障；二是消費側的氫能應用多元高效，擴大應用場景、降低部署成本和提升過程能效是發(fā)展關鍵，工業(yè)原料和燃料、以及交通、發(fā)電和建筑燃料是低碳氫能應用的主要方向。三是在中間環(huán)節(jié)，搭建貫通和連接供給側和消費側的氫儲運“橋梁”，形成滿足集中式與分布式制用氫需要、規(guī)?；头稚⒒瘍湎嘟Y合、長距離和中短距離輸氫相結合的靈活高效的氫儲運基礎設施網絡，降低儲運成本，破解低碳氫能應用難題。

未來，氫能角色將從工業(yè)原料向零碳燃料和儲能介質拓展演變，全產業(yè)鏈綠色低碳發(fā)展正在成為新時期氫能產業(yè)發(fā)展的鮮明特征。氫能產業(yè)將逐步擺脫對化石能源制氫的“化氫”耦合傳統(tǒng)路徑的依賴，打開可再生電力制氫的“電氫”耦合新路徑，并在終端部門實現(xiàn)對化石燃料和原料的深度替代，成為零碳社會能源供給消費體系的重要組成部分。碳中和目標賦予了氫能產業(yè)轉型發(fā)展的新動能，在終端部門以可再生二次能源為主導能源的“電氫崛起”，將是能源體系變革的重要標志。未來10年將是低碳氫能從導入期走向商業(yè)化應用的關鍵階段，電氫一體化生產、氫能基礎設施和氫基碳中和解決方案等將逐步走向成熟；再用15年時間，低碳氫能在各主要應用領域都將實現(xiàn)規(guī)模化部署，成為助力我國實現(xiàn)碳中和目標的重要力量。