CEEP2021年能源经济预测与展望研究报告：碳中和背景下煤炭制氢的低碳发展

能源经济预测与展望研究报告 FORECASTING AND PROSPECTS RESEARCH REPORT CEEP-BIT-2021-006（总第54期） 碳中和背景下煤炭制氢的低碳发展 2021年1月10日 北京理工大学能源与环境政策研究中心 http://ceep.bit.edu.cn 特别声明 本报告是由北京理工大学能源与环境政策研究中心、能源经济与环境管理北京市重点实验室、北京经济社会可持续发展研究基地、北京理工大学管理与经济学院、中国“双法”研究会能源经济与管理研究分会和中国能源研究会能源经济专业委员会联合出版的系列研究报告之一。如果需要转载，须事先征得本中心同意并且注明“转载自北京理工大学能源与环境政策研究中心系列研究报告”字样。 碳中和背景下煤炭制氢的低碳发展 执 笔 人：魏一鸣 李家全 刘兰翠 康佳宁 作者单位：北京理工大学能源与环境政策研究中心 联 系 人：魏一鸣 研究资助：国家重点研发计划项目（2016YFA0602603），国家自然科学基金项目（71521002）。 北京理工大学能源与环境政策研究中心 北京市海淀区中关村南大街5号 邮编：100081 电话：010-68918551 传真：010-68918651 E-mail: wei@bit.edu.cn 网址：http://ceep.bit.edu.cn Center for Energy and Environmental Policy Research Beijing Institute of Technology 5 Zhongguancun South Street, Haidian District Beijing 100081, China Tel: 86-10-68918551 Fax: 86-10-68918651 E-mail: wei@bit.edu.cn Website: http://ceep.bit.edu.cn 1碳中和背景下煤炭制氢的低碳发展 全球经济正处于绿色低碳转型期，近年来，我国提出了分别于2030年和2060年实现“碳达峰”和“碳中和”的目标。氢气是推动全球经济绿色低碳转型和我国“碳中和”目标实现的潜在支撑，其将为交通、电力、钢铁、建筑等行业低碳转型提供助力。为此，世界各国积极出台氢能发展规划，推动氢能产业发展。 氢气助力我国“碳中和”目标实现，要求氢能产业绿色低碳发展。受资源禀赋、成本等约束，煤炭制氢在未来一段时期内仍是我国氢气的主要来源。然而，煤炭制氢过程伴有大量CO2排放，被称为“灰（高碳）氢”技术，不满足低碳制氢要求。碳捕集与封存（CCS）技术是当前唯一能够大幅减少化石燃料电厂、工业过程等终端CO2排放的低碳技术。煤炭制氢结合CCS技术，可将“灰氢”转变为“蓝（低碳）氢”。本研究着重评估了我国煤炭制氢及其结合CCS技术后的碳足迹和成本，并将其与当前（及未来潜在）其他主要制氢技术碳足迹和成本进行了对比，分析了其发展竞争力，提出了我国煤炭制氢技术低碳可持续发展的政策建议。 一、全球氢能发展迎新需求 中国氢能发展更迫切 在未来全球经济绿色低碳转型的进程中，氢气将发挥重要作用，全球氢能发展迎来新的需求，各国陆续出台相关战略规划推动氢能产业发展。由于石油对外依存度高、能源结构高碳化等原因，致使我国氢能发展需求相比全球其他国家更为迫切。 2（一）2050年全球纯氢需求增长3倍 中国氢气需求增长1倍以上 氢气作为工业原料和燃料，已广泛应用于工业生产、制热等领域。截至2018年，全球氢气（纯氢和混合氢1）消费量已增至1.15亿吨，其中纯氢7300万吨，如图1所示。从氢气供给侧看，全球氢气主要来自于天然气、工业副产气和煤炭，占比分别为44.8%、41.0%和13.6%。从需求侧看，全球纯氢主要用于石油精炼和氨生产，消费量分别为3800万吨和3100万吨；混合氢主要用于甲醇生产、热能生产等。 我国是全球最大的氢气生产和消费国，消费量现已超过2500万吨。受煤炭供给充裕，和煤炭制氢成本低等因素影响，我国煤炭制氢产量在氢气供给系统中的占比高达60%以上，远高于世界平均水平。在需求侧，氢气同样主要用于石油精炼、氨生产、甲醇生产和热能生产等。 图1 全球氢能流向图 图片来源：IEA, 2019. 经济绿色低碳转型是实现经济可持续、高质量发展的重要方面。 1 混合氢：与其他气体混合在一起，且未分离出来的氢气。 3在全球经济推进绿色低碳转型的进程中，未来交通、电力、钢铁、建筑等部门的氢气潜在需求量巨大。预计在可持续发展情景2下，至2050年全球纯氢需求将增长至2.9亿吨/年，2070年将进一步增至5.2亿吨/年，占全球终端能源消费量的13%，如图2所示。我国是当前全球最大的能源消费国和温室气体排放国，且能源结构以煤炭为主，经济绿色低碳转型更加迫切。另外，我国石油对外依存度较高，已经超过70%，能源安全潜在威胁较大，对石油替代品需求更加紧迫。在此背景下，我国氢能产业发展更为迫切。预计2050年我国氢气需求将增至近6000万吨，占我国终端能源消费量的10%左右。 图2 2019-2070年全球纯氢需求及应用领域 图片来源：IEA, 2020. （二）全球各国出台氢能发展规划 中国将其写入政府工作报告 由于氢能在未来全球经济绿色低碳转型中将扮演重要的角色，具 2 可持续发展情景：全球能源系统实现净零排放。 4有大量的潜在需求，全球主要国家已积极布局氢能产业，并发布了发展路线图和相关规划，如表1所示。国外现有规划内容可总结为4点。首先，各国家/组织在氢能发展路线图和规划中，明确了氢能在推动各行业绿色低碳转型的定位和需求。其中，欧盟认为没有氢能，欧盟将难以实现其脱碳目标。明确氢能定位，有助于从顶层设计层面引导氢能产业持续健康发展。其次，各国针对氢能发展各环节，制定了中长期的量化目标，如制氢产能产量、加氢站建设、氢能汽车数量等，有助于推动各行业氢能生产和需求端的设施、设备等发展。再者，各国计划通过投入资金，支持氢能技术研发、设施设备建设等，增加社会资本进入积极性。此外，各国认识到氢能产业的绿色低碳发展，是其参与并支撑全球经济绿色低碳发展的重要前提。各国在氢能产业规划中亦提出推动可再生氢能发展、化石燃料制氢需结合CCS技术等要求。 对比国内外氢能发展政策和相关规划，发现我国仍缺乏国家层面的氢能定位、中长期发展指导规划和目标。我国仅在“2020年度国民经济和社会发展计划”中，提出了制定国家氢能产业发展战略规划的要求。 表1 近年各国氢能发展路线图和规划（部分） 国家/组织 发展路线图和规划 时间主要目标/表述 中国 中国政府工作报告 2019 推动充电、加氢设施建设。 年度国民经济和社会发展计划 2020 制定国家氢能产业发展战略规划。 欧盟 欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续发展路径 2019 如果没有氢能，欧盟将难以实现其脱碳目标；  到2050年生产大约2250 TWh的氢气；  到2050年，将给欧盟企业的燃料和燃料行业相关领域创造8200亿欧元的工业产值。 5西班牙 氢能路线图 2020 未来10年，向氢能领域投入89亿欧元；  25%的绿氢用于工业领域；  安装4吉瓦容量的电解槽；  到2030年，至少有150辆氢能公交车，5000辆轻型，重型汽车及2条氢能动力火车线路，并建设至少100座加氢站。 英国 能源白皮书 2020 投资10亿英镑促进氢能等清洁能源技术的研发。德国 国家氢能战略 2020 支持“绿色氢能”扩大市场；  2020-2023年，为德国氢能源国内市场打好基础； 2024-2030年，稳固国内市场，塑造欧洲与国际市场，服务德国经济；  再投入70亿欧元用于氢能市场推广，20亿欧元用于相关国际合作。 法国 国家氢能源计划 2020 在未来10年内投资72亿欧元推动氢能源生产与应用。 美国 氢能经济路线图 2019 到2030年，氢需求量将突破1700万吨，到2050年将达到6300万吨；  到2030年，530万辆燃料电池汽车，建设5600个加氢站。 日本 氢能利用进度表 2019 到2025年，使氢燃料电池汽车价格降至与混合动力汽车持平；  到2030年，建成900座加氢站，实现氢能发电商业化，并持续降低氢气供应成本，使其不高于传统能源。 韩国 氢能经济活性化路线图 2019 2040年氢燃料电池汽车累计产量增至620万辆，加氢站增至1200座；  氢气年供应量达到526万吨。 （三）中短期内煤炭制氢是中国主要氢气来源 但发展受碳约束影响 当前氢气制取技术主要有煤炭制氢、甲烷（天然气）重整制氢、工业副产气提纯制氢等；未来潜在的大规模应用技术为电解水技术。目前，对部分工业副产气进行提纯生产氢气是我国重要的氢气来源。短期内，我国工业副产气的制氢规模可进一步提高，但受生产工业副产气的产业规模限制，未来产量提高有限。电解水制氢技术的产能具有巨大提升潜力，但制氢成本较高（图3），短期内不具大规模发展可能性。且我国天然气资源相对贫乏且价格较高，制氢成本不具优势。 6我国煤炭资源丰富，煤炭制氢技术目前具有明显的成本优势（图3）。因此，从资源禀赋、制氢成本来看，在未来一段时期内煤炭制氢仍将继续主导供氢结构，且其制氢规模将会进一步增加。 然而，煤炭制氢未来发展也面临阻碍。全球经济绿色低碳转型和我国“碳中和”目标的实现，要求氢气生产符合低碳发展要求。煤炭制氢技术制氢过程排放大量CO2，将制约自身发展，这就要求结合CCS技术，为其碳约束“松绑”。 010203040506070焦炉煤气制氢电网电力电解水上网可再生电力电解水非上网可再生电力电解水天然气制氢煤炭制氢制氢成本(元/kg H2)制氢技术 图3 中国当前及未来潜在主要制氢技术的制氢成本（考虑能源成本区域差异） 二、结合CCS技术的煤炭制氢具有一定发展优势 结合CCS技术后，煤炭制氢碳足迹显著下降，虽然成本有所增加，短期内相比其他制氢技术仍具有一定的竞争优势。 （一）结合CCS技术后煤炭制氢碳足迹可下降53% 本研究核算的碳足迹包括煤炭制氢及结合CCS技术后的直接和间接GHGs排放量3。未结合CCS技术的煤炭制氢碳足迹高达22.65 kg 3 将结合CCS技术前后的煤炭制氢全生命周期直接和间接GHGs排放转化为二氧化碳当量测算碳足迹。 7CO2当量(CO2e)/kg H2。从碳足迹构成来看，煤炭制氢环节排放贡献最大，为20.90 kg CO2e/kg H2，占比为92.3%；其次为煤炭开采和洗选环节，排放占比7.5%，煤炭运输环节排放可近似忽略不计。结合CCS技术后，煤炭制氢的生命周期碳足迹显著下降，为10.59 kg CO2e/kg H2，降幅53.3%，有利于煤炭制氢低碳发展。但其排放水平与结合CCS技术前的天然气制氢碳足迹相当，长期发展的碳约束依然存在。 （二）结合CCS技术后煤炭制氢成本增加 但仍具有一定成本优势 由于煤炭制氢厂捕集的CO2浓度在80%以上，相应的CO2捕集成本较低。在当前的设备、原材料、能源与人工成本水平下，我国煤炭制氢的CCS项目成本为292元/吨CO2，其中捕集成本，运输成本（以200千米为例）和封存成本分别为194、65和33元/吨CO2。结合CCS技术将使煤炭制氢成本增加51.5%，达13.13元/kg H2。与其他当前及未来潜在主要制氢技术的制氢成本对比分析发现，结合CCS技术的煤炭制氢仍有一定的成本优势，特别是相对于电解水制氢技术。 （三）结合CCS技术后煤炭制氢规模中短期内将有所提升 从我国提出实现2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”目标来看，未来碳减排目标和要求越来越高，意味着煤炭制氢的碳约束也会逐步增强。结合CCS技术后煤炭制氢的碳足迹将大幅下降，成本仍具有竞争优势。因此，中短期内，我国氢气需求