碳中和目標下中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路徑選擇

摘要 氫能在中國構(gòu)建新型能源體系和實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的進程中具有舉足輕重的作用，對于難以完全電氣化的鋼鐵、水泥、化工、航空、海運等行業(yè)的零碳轉(zhuǎn)型尤為關(guān)鍵。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前已被納入國家戰(zhàn)略，然而，由于制氫技術(shù)多種多樣，各種制氫技術(shù)的經(jīng)濟成本和碳排放水平存在巨大差異，如何選擇一條兼顧碳減排有效性和成本有效性的路徑，仍需要深入研究。該研究構(gòu)建了基于不同制氫技術(shù)的碳減排成本有效性分析框架，運用平準化成本、生命周期評估、學習曲線等方法，從不同時間維度對主要制氫技術(shù)的碳減排成本有效性進行了比較分析和評估，并針對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置不同情景（基準情景、溫和政策情景和碳中和情景），分析了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展不同路徑的碳減排成本有效性，力圖為制定、評估和修訂國家或地方氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略提供一種兼顧制氫成本有效性和碳減排有效性的思路和分析框架。研究結(jié)果表明：①現(xiàn)階段（2021—2023年），煤制氫的碳減排成本有效性最優(yōu)，棄電+AE制氫次之。②近期（2024—2030年），棄電+AE制氫的碳減排成本有效性將逐步超過煤制氫，光伏+AE、風電+AE和水電+AE制氫的碳減排成本有效性雖逐步提升，但與煤制氫相比尚有較大差距。③中期（2031—2045年），光伏+AE、風電+AE的碳減排成本有效性加速提升，逐步接近煤制氫。④遠期（2046—2060年），可再生能源制氫的碳減排成本有效性將全面超越化石能源制氫，綠氫將在氫能產(chǎn)業(yè)中占據(jù)主導地位。建議：參考碳減排成本有效性分析框架，完善氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，合理布局氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖和時間表；改進碳定價機制，通過增加用能單位的碳排放成本，增強綠氫的碳減排成本有效性和市場競爭力；加大利用棄風棄光電解水制氫的政策支持力度，促進風光資源充分利用與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的協(xié)同推進；短期內(nèi)充分發(fā)揮灰氫的碳減排成本優(yōu)勢，理性有序地發(fā)展灰氫產(chǎn)業(yè)，并積極引導和支持灰氫產(chǎn)業(yè)應(yīng)用減碳技術(shù)，加快灰氫向綠氫過渡進程。

關(guān)鍵詞 碳中和；氫能產(chǎn)業(yè)；碳減排成本；生命周期評估

中圖分類號 TK91；X24 文獻標志碼 A 文章編號 1002-2104（2024）10-0094-12 DOI：10. 12062/cpre. 20240201

統(tǒng)籌推進實現(xiàn)碳中和目標與保障能源安全是中國長期而又緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。要實現(xiàn)碳中和目標，需要持續(xù)推進以新能源為主體的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，促使非化石能源在一次能源消費中的比例于2060年達到80%以上［1］。氫能由于其清潔、低碳、高效、可再生、可儲存等特性，被認為是應(yīng)對氣候變化和保障國家能源安全的重要能源載體［2］；尤其是對于鋼鐵、水泥、化工、航空、海運等難以完全電氣化的部門，利用氫能等新型燃料是其實現(xiàn)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵［3］。目前，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展已納入中國國家戰(zhàn)略，中共中央、國務(wù)院《關(guān)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》明確指出：“統(tǒng)籌推進氫能‘制儲輸用’全鏈條發(fā)展”“加強氫能生產(chǎn)、儲存、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、示范和規(guī)?；瘧?yīng)用”。國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》也提出：“適度超前部署一批氫能項目，著力攻克可再生能源制氫和氫能儲運、應(yīng)用及燃料電池等核心技術(shù)，力爭氫能全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)取得突破，推動氫能技術(shù)發(fā)展和示范應(yīng)用”。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局正式發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021－2035年）》。然而，當前氫氣生產(chǎn)、儲運和分銷（加氫）的技術(shù)尚不夠成熟。從制氫環(huán)節(jié)來看，主流的制氫方式有蒸汽甲烷重整、煤氣化和可再生能源電解水制氫（綠氫）3種，其成本和碳排放差異巨大。從全球來看，前二者制氫（灰氫）成本較低，占全球氫氣產(chǎn)量的98%（其中蒸汽甲烷重整為76%、煤氣化為22%），但碳排放高；而綠氫碳排放幾乎為零，但成本很高，氫氣產(chǎn)量占比不足2%。要使氫能在實現(xiàn)碳中和的進程中發(fā)揮應(yīng)有的作用，必須探索一條符合中國實際、兼顧碳減排有效性和成本有效性的路徑。

1 文獻綜述

為破解實現(xiàn)碳中和、保障能源安全和促進經(jīng)濟增長的“不可能三角”，許多國家都把希望寄托在發(fā)展氫能上。據(jù)不完全統(tǒng)計，已有30多個國家和地區(qū)制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略［4］。歐洲各國將氫能視為深度脫碳和清潔能源轉(zhuǎn)型的重要途徑；日本將氫能作為實現(xiàn)能源供給多元化、保障能源安全的重要支撐；澳大利亞、俄羅斯、沙特等國家，期望通過出口氫能實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)增長；韓國則期望通過發(fā)展氫能實現(xiàn)減碳、能源安全和經(jīng)濟增長三大目標；美國最早提出“氫經(jīng)濟”并始終將氫能視為戰(zhàn)略儲備技術(shù)，通過創(chuàng)新研發(fā)和示范保持競爭力［5-7］。然而，現(xiàn)實情況是，當前化石燃料制氫技術(shù)成熟，成本較低，可應(yīng)用于大規(guī)模制氫，但碳排放高，難以實現(xiàn)減碳的目標；而可再生能源電解水制氫碳排放低，但成本高昂，難以市場化推廣。要使氫能在同時實現(xiàn)碳中和、能源安全和經(jīng)濟增長三大目標中發(fā)揮應(yīng)有的作用，氫能產(chǎn)業(yè)本身也面臨著發(fā)展路徑選擇的問題。需要統(tǒng)籌發(fā)展與減排、中長期與短期以及整體與局部這3對關(guān)系，立足國情、發(fā)展階段和實際能力，探索出一條適合中國的最優(yōu)路徑［8］。從短期來看，氫能市場化應(yīng)用應(yīng)放在優(yōu)先位置，先有市場可接受的價格，再有社會資本的大量涌入，才能推動氫能全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)加速進步。從中長期來看，降低氫能全生命周期的碳排放水平是基本要求，綠氫才是最終目標。但從“灰氫”向“綠氫”過渡的過程中，需要綜合考慮不同制氫方式的技術(shù)特點、經(jīng)濟性和碳排放水平，兼顧實現(xiàn)碳中和目標的緊迫性和在能源市場中的競爭性，穩(wěn)步有序推進氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

要合理規(guī)劃氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑，需要詳細研究和評估不同制氫技術(shù)的碳減排效率和成本有效性。然而，現(xiàn)有研究大多要么側(cè)重于分析制氫技術(shù)的經(jīng)濟性，要么評估制氫技術(shù)的環(huán)境影響，研究結(jié)論在業(yè)內(nèi)尚存在較大的分歧。在制氫的經(jīng)濟性方面，F(xiàn)an等［9］指出，煤制氫+CCS（carbon capture and storage， CCS）的平準化成本為13. 1～19. 4 元/kg（以氫氣計），比煤制氫（7. 2～10. 1 元/kg）高58%～128%，比可再生能源電解水制氫（16. 4～51. 8 元/kg）低21%～61%。Shaner 等［10］通過比較光解制氫和光伏電解水制氫，得到了光伏制氫的成本區(qū)間為6. 1～12. 1美元/kg。謝欣爍等［11］整理了研究領(lǐng)域認可度較高的關(guān)于不同制氫技術(shù)的生命周期成本數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：煤氣化制氫成本為8. 3～19. 5元/kg、天然氣制氫成本為10. 4～27. 6元/kg、風電制氫成本為22. 3～59. 8元/kg、太陽能光伏發(fā)電制氫成本為36. 6～61. 3元/kg。

在制氫的碳排放方面，張賢等［12］的研究表明，煤制氫全流程碳足跡為17. 5～29. 8 kg/kg（以二氧化碳當量計），經(jīng)過CCUS（carbon capture， utilization and storage， CCUS）技術(shù)改造后，碳足跡可降至2. 2～8. 9 kg/kg。李家全等［13］的研究指出，煤制氫結(jié)合CCS技術(shù)后，碳足跡由22. 7 kg/kg下降至10. 5 kg/kg。Wang 等［14］對蒸汽甲烷重整（steammethane reforming， SMR）、煤炭和生物質(zhì)氣化、甲烷熱解以及可再生能源電力和核電電解水制氫研究后發(fā)現(xiàn)，在考慮環(huán)境外部性成本的前提下，SMR+CCS是最經(jīng)濟的方案，其次是甲烷熱解，最后是風電和核電的電解水制氫。

從經(jīng)濟或環(huán)境的視角分別對不同制氫技術(shù)進行分析，為制氫技術(shù)路線的選擇提供了一定的參考，但不符合氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初衷。當單獨考慮制氫的經(jīng)濟成本時，成本最優(yōu)的技術(shù)往往碳排放較高，與我國實現(xiàn)碳減排目標背道而馳［15］；當單獨考慮環(huán)境影響時，碳排放最低的技術(shù)卻缺少市場競爭力。因此，近些年，越來越多的研究在討論制氫技術(shù)時會同時考慮經(jīng)濟和環(huán)境兩個維度。Li等［16］比較了焦爐煤氣和煤氣化制氫的經(jīng)濟和環(huán)境效益，得出了焦爐煤氣制氫比煤氣化制氫具有更好的環(huán)境和經(jīng)濟效益的結(jié)論。Longden 等［17］的研究認為，即便采用CCS，天然氣或煤制氫的碳排放可能依然很高，當碳價在22～46 美元/t的價格區(qū)間時，是否加裝CCS對化石燃料制氫影響不大。Pan等［18］對中國電解水制氫的經(jīng)濟和環(huán)境效益進行研究后發(fā)現(xiàn)，2019年，在單一電價情景下，31個省份的制氫平均成本為31. 5～46. 8元/kg，而在實施分時電價時，每千克降低了5. 5元；2019年大部分省份電解水制氫的碳排放高于煤制氫，到2030年后，高碳價將使電解水制氫的市場競爭力大幅提升。Wang等［14］對生物質(zhì)制氫和煤制氫工藝的模擬結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)制氫的原料消耗和總投資成本均大于煤制氫，但生產(chǎn)成本和溫室氣體排放均低于煤制氫。Terlouw等［19］對歐洲大規(guī)模電解水制氫的研究表明，2020年電解水制氫的成本大約為3. 7 歐元/kg，到2040 年有可能降低到2 歐元/kg，當前，只有在極少數(shù)特定地區(qū)才可能實現(xiàn)制氫成本和碳排放“雙低”的目標。

上述研究盡管同時考慮了不同制氫技術(shù)的經(jīng)濟和環(huán)境影響，但最終的研究結(jié)論存在經(jīng)濟性與環(huán)境影響相互分割，不能綜合評價碳減排有效性和經(jīng)濟性的問題。目前，只有極少數(shù)的研究較好地解決了上述問題，比如Parkinson等［2］的研究，引入了碳減排成本的核算方法，通過將制氫的替代技術(shù)與基準技術(shù)（該研究選擇SMR為基準技術(shù)）進行對比，計算出11種制氫技術(shù)的碳減排成本，為當前制氫技術(shù)選擇提供了重要參考。然而，該項研究僅僅聚焦現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用，沒有考慮未來不同制氫技術(shù)的發(fā)展趨勢，且研究對象是英國，與中國國情存在較大的差別。

為了彌補現(xiàn)有研究在理論與方法上的不足，本研究構(gòu)建了碳減排成本有效性分析框架，以成本變化量與碳排放變化量的比值進行核算，以此評估不同制氫技術(shù)的碳減排成本有效性，旨在衡量基于碳減排成效的不同制氫技術(shù)經(jīng)濟可行性。該研究方法涉及的兩個重要參數(shù)（成本和碳排放），分別采用當前較為主流的平準化成本和生命周期評估方法進行核算［20］，可以較大程度保障計算的準確性。同時，通過學習曲線等方法對制氫的關(guān)鍵設(shè)備和參數(shù)的未來情景進行預(yù)測，使得本研究不僅聚焦當下，而且放眼未來，可以從不同時間維度，包括現(xiàn)階段（2021—2023年）、近期（2024—2030 年）、中期（2031—2045 年）和遠期（2046—2060年），勾畫出適合中國實際的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖和時間表。本研究的邊際貢獻主要體現(xiàn)在：①構(gòu)建了基于不同制氫技術(shù)的碳減排成本有效性分析框架；②從不同時間維度對主要制氫技術(shù)的碳減排成本有效性進行了比較分析和評估；③針對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置不同情景（基準情景、溫和政策情景和碳中和情景），為不同減排目標下的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的路徑選擇提供政策參考。

2 分析框架

加快推進碳減排早已成為全球共識，但碳減排必然會帶來經(jīng)濟成本、社會成本、甚至政治成本，需要選擇一條最可行的路徑。對于經(jīng)濟成本，2007年出版的斯特恩報告詳細討論了實現(xiàn)穩(wěn)定溫室氣體濃度目標的多個行業(yè)采用多種技術(shù)及其他組合方案，以及這些方案的成本有效性（cost?effectiveness）［21］。斯特恩的分析方法后來被稱為碳減排成本有效性的宏觀分析，主要是從全球或者國家層面比較分析不同減排方案或技術(shù)路徑的碳減排成本。類似的研究如Gillingham等［22］通過對不同部門和技術(shù)的減排成本進行系統(tǒng)性分析，探討如何以最具成本有效性的方式實現(xiàn)減排目標；Williams等［23］針對許多國家和地區(qū)2050年溫室氣體減排目標探討了技術(shù)途徑和減排成本。而更多的文獻則從微觀視角分析某個行業(yè)或具體領(lǐng)域的碳減排技術(shù)的成本有效性。Macleod等［24］通過多種方法計算邊際減排成本來分析如何以最低成本實現(xiàn)農(nóng)業(yè)溫室氣體減排目標；Eide等［25］詳細研究了一種成本有效性評估方法，該方法旨在分析技術(shù)升級和運營措施改進對國際航運業(yè)碳減排的成效；Roth等［26］利用綜合評估模型比較分析了保留美國現(xiàn)有核電廠作為碳減排策略與核電廠提前退役的成本有效性；Lutsey［27］評估了低碳交通工具與燃料技術(shù)改進的成本有效性，等等。這些文獻對碳減排成本有效性都進行了明確的界定，簡單地說，碳減排成本有效性就是計算每一套方案或技術(shù)路徑能夠產(chǎn)生多少減排量和花費多少成本，然后以成本除以減排量得到每噸碳減排的成本，進而比較不同方案或技術(shù)的減排成本高低。它是一種同時考慮經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，選擇成本最低、最可行的技術(shù)路徑的方法。該方法兼顧了實現(xiàn)“碳中和”目標和市場推廣可行性的實際，比傳統(tǒng)單獨研究經(jīng)濟或者環(huán)境效益的方法有更強的適用性和說服力［28］。

成本有效性方法的難點在于如何核算和比較不同技術(shù)的減排量及其成本。為了便于比較分析，通常選擇一種技術(shù)作為基準，將待比較技術(shù)作為替代技術(shù)，從基準技術(shù)向替代技術(shù)轉(zhuǎn)變，導致的成本變化稱為轉(zhuǎn)換成本。在本研究中，碳減排成本可以為正，也可以為負，取決于替代技術(shù)的成本和碳減排程度。如果轉(zhuǎn)換成本為負，且替代技術(shù)碳排放低于基準技術(shù)，則碳減排成本為負，意味著該方案可能成為基準技術(shù)的替代方案，具備可行性。同樣，如果轉(zhuǎn)換成本為正，且碳排放量大于基準技術(shù)，則碳減排成本也為負，但這種情況下，替代技術(shù)被認為是一個比基準技術(shù)更差的選擇，不具備可行性。當轉(zhuǎn)換成本為負，且碳排放量大于基準技術(shù)，碳減排成本為正，此時有可能具備可行性［29］。在可行性方案中，碳減排成本越低，意味著成本有效性越高。

圍繞“制氫替代技術(shù)的碳減排成本有效性”，本研究建立了如下分析框架（圖1）：首先，對替代技術(shù)的成本變化量和碳排放變化量進行核算，在此基礎(chǔ)上計算出制氫替代技術(shù)的碳減排成本。然后，對碳減排成本結(jié)果進行比對，若結(jié)果為負值，有兩種可能的情況：①成本和碳排放均增加，則方案不可行；②成本和碳排放均減少，則方案可行。若結(jié)果為正值，需要與實時碳價進行對比，成本低于碳價則方案可行，反之則不可行。最后，在各種可行方案中篩選出符合研究需求的最優(yōu)方案。