深度好文 | 为何寄望于氢？

中国实现碳中和需要多种技术协同。生物能源的最大优势是可以兼容于现有的能源技术和基础设施，但由于种植能源作物的土地供给有限，生物能源在我国净零排放能源转型中能够发挥的作用预期将受到限制。用于发电的生物能将对早期的电力脱碳做出重要贡献，通过扩大使用生物能源，可以快速减排，为氢能和电气化等其他技术途径赢得更多的发展时间。

以CCUS为代表的负排放技术对于我国实现碳中和的重要意义在于由于我国现有的许多燃煤电厂和工厂厂龄较新，在进行CCUS技术改造后仍可以持续运行，从而避免资产投资损失。同时，CCUS 在工业部门，特别是在水泥和化工生产行业，是少数可以用于减少水泥、钢铁和化工生产过程排放的技术选项之一。但是CCUS技术目前仍面临着一些问题，比如，因成本高昂面临的商业化挑战，以及目前国内还没有专门的商业封存设施，同时，CCUS技术发展也面临着环境风险的争议。

氢能作为一种能源载体和低碳燃料，对于我国实现碳中和的重要意义在于将风能、光能规模化地引入了能源体系，不仅保障了规模化低碳电力的供应，同时为适配终端用能部门灵活性用电需求提供了解决方案，为我国净零排放的能源转型带来了“神助攻”。除此之外，氢能还为我国高排放终端用能部门中一些难脱碳或难电气化（或者电气化不具备经济性）的领域提供了可靠的脱碳技术路径，如为交通领域的公路货运、航空、航运和工业领域的化工业提供了低碳燃料、为钢铁业提供了氢冶金替换传统碳冶金的技术方案。在相关产业和技术成熟度方面，我国是电解装置制造大国，全球约三分之一的产能在中国，碱性和PEM电解水技术已经实现商业化；电价是电解水制氢的主要成本构成，经过20多年的发展，2020年我国风电和光伏已经进入了平价上网阶段，低廉的电价（指通过可再生能源发电）为低廉的绿氢供应提供了保障。在发电方面，如《纵横胡焕庸线，中和碳排放》一文介绍，2020年我国开展“三纵三横”电动汽车重大专项。经过20多年的发展，我国燃料电池技术从燃料电池系统、到电堆和膜电极，从关键评价指标上来看，虽然与国外先进水平仍存在一定的差距，但已经可以进入世界第一梯队。

据国际能源署测算，在中国，通过使用低碳来源的氢气和氢基燃料，从现在到2060年将可以累计避免近160亿吨的二氧化碳排放。依靠这些燃料减排最多的行业是工业（特别是化工和钢铁），占“3060”承诺目标情景下避免的排放量的50%以上；航运用氢和氨以及航空用合成煤油共占20%；公路交通运输用氢占13%。

2020年，我国发电部门排放的二氧化碳约为54亿吨，占全国能源体系总排放量的47%左右。电力部门是中国经济脱碳的主力，占2020-2060 年累计减排量的55%以上。电力供给的快速脱碳以及各部门终端用能的广泛电气化将是我国实现碳中和战略不可或缺的重要支柱，这一方面要求大规模扩大可再生能源发电能力，另一方面需要有灵活的低碳资源以保障电力系统安全。而氢能在这过程中将发挥不可替代的作用，一方面，氢能通过整合大量波动性可再生能源并网，保障大规模低碳电力供应；另一方面，通过氢储能、燃料电池发电技术等将为适配终端用能部门灵活性用电需求提供解决方案。

据国际能源署测算，在“3060”承诺目标情景下，2020-2060年期间在发电部门快速脱碳的同时，发电量将增加130%，推动发电量增长的最大单一因素是电解制氢，2060 年它将占电力需求的近20%，即3300 太瓦时，换句话说，就是2060年将有20%的电力需要通过氢实现储能。到2060年，可再生能源的电力输出将增加近6倍，在发电总量中的比重将从2020年的约25%上升到2030年的40%和2060年的80%。2060年的发电结构中，仅太阳能光伏发电的比重就将接近45%，而2020年这一比重仅为4%。

2020年，工业是二氧化碳的第二大排放源，占全国能源体系排放总量的35%左右，要实现碳中和目标，就必须要减少工业部门的二氧化碳排放，特别是在原生钢铁、水泥和初级化工产品领域。

中国约80%的钢铁是利用铁矿石（即原生）而不是废钢生产的，而世界其他地区的原生钢比重约为60%。使用碳基还原剂来去除矿石（氧化铁）中的氧原子，从而生成液态铁，是目前铁矿石炼钢的唯一商业化技术方法，在中国，还原剂以焦炭和煤为主。未来预计钢铁行业减排的重任将落在以CCUS 和绿氢技术为主的新技术部署上，这两种技术将总共贡献累计减排量的15%左右。其中，基于氢气的直接还原铁（DRI）路线，因工艺能效较高，可以直接与低成本、使用波动性可再生能源的自产自用电力结合而成为一条重要的脱碳技术路线。

全球化工业的主要原料是石油和天然气，而在中国，化工业在过去的三四十年里，主要依赖于煤化工技术，特别是用煤炭气化生成的合成气来制造氨和甲醇。中国的合成氨和甲醇产量目前分别占世界产量的近三分之一和一半以上。中国开发了“甲醇制烯烃”（MTO）催化工艺过程，以沸石为催化剂，利用由煤炭生产的甲醇来制造乙烯和丙烯。虽然此种工艺过程能源强度较高，但甲醇制烯烃技术路线可以使塑料生产过程不需要石油，中国甲醇产量的三分之二以上仅作为生产烯烃的中间体使用。我国化工行业减排，将要求化工生产的二氧化碳从2020年的约5.3亿吨下降到2060年的约0.6亿吨，即相当于化工生产的二氧化碳强度从现在的每吨初级化工产品约2.5吨二氧化碳，降低到2060年的约0.2吨二氧化碳。同样，化工业的减排措施仍需要依赖以CCUS和绿氢为主的技术部署，这两种技术预计将成为化工行业脱碳的两大支柱。利用波动性可再生电力生产氢气，结合化工部门的灵活工艺过程安排，在合成氨和制甲醇方面预计将成为化工业竞争力较强的脱碳技术路线。

服务于货运和客运的道路机动车，占交通运输排放总量的80%以上，小型车（包括两轮和三轮车辆）、乘用车和部分轻型商用车可以通过直接电气化而快速且经济地实现脱碳。而对于减排困难的国内航空和航运以及长途公路货运领域，低碳氢及氢基燃料将提供较优的脱碳技术方案。

在公路货运领域，氢燃料电池商用车可为脱碳提供解决方案，随着车辆规模提升及氢气价格下降，氢燃料电池商用车有望更具成本竞争力。公路货运排放占货运排放总量的比重已从2000年的65%上升到如今的约80%。除直接电气化之外，氢燃料电池车可部署用于中重型车辆作业，特别是长距离作业。从长远来看，燃料电池商用车在日行驶里程超过500公里的使用场景中将比电动车更有竞争力。

航运和航空业的脱碳一直是各国面临的比较棘手的问题。对于长距离行驶的航运或航空应用需要大量的能源，同时这些能源必须具备足够高的能量密度，以便不在船上或飞机上占用过多的空间或载重，而目前的动力电池技术，也只能用于短距离和小规模的作业。生物燃料被认为是替代石油基燃料的重要的低碳产品，但由于受制于全球种植生物质原料的土地供给，生物燃料预计只能满足有限的能源需求。在航运业，利用低碳氢基燃料-氨预期在2050年后成为航运业的主要燃料，2060 年将占该部门能源用量比重接近40%；生物燃料将满足能源需求的另外20%；氢燃料电池将满足大约10%。在航空业，尽管国内航空在中国能源体系二氧化碳排放总量中的比重仍然很小，约为0.7%，但该领域的排放量增长势头迅猛。除了目前正在研发和示范的氢能动力飞机外，来自低碳电力制氢和二氧化碳合成的液体合成碳氢化合物燃料将在2030年初开始用于飞机，并预计将在2060年达到约35万桶/天，满足中国航空燃料需求总量的30%左右。

建筑部门在中国排放总量中的比重约为20%。在建筑终端能源用量中，住宅占主导地位：2020年住宅用能约为18 艾焦，占总量的80%左右；其余5艾焦是商业和公共建筑物用能。中国各地的气候条件差异巨大，很大程度上影响着采暖制冷的能源需求。根据中国的建筑节能标准将全国划分为五个气候区，约有5%的人口生活在制冷需求为主的地区，约有15%的人口生活在采暖需求为主的地区，而其余80%的人口有冬季采暖需求，又有夏季制冷需求。

在未来建筑终端用能技术选项中，太阳能集热器，热泵、空调、区域供热、高效建筑设计和材料、燃料电池等技术都将在未来的建筑用能脱碳路径中发挥着重要作用。预计到2035 年用于建筑供热的燃煤和燃油锅炉，及不兼容氢能的燃气采暖设备将完全停止销售。氢能锅炉和燃料电池微型热电联产机组的市场占有率到2060年预计满足约5%的采暖消费需求。