摘　要：在探討區(qū)域氫基能源供需體系的背景下，提出了一種基于領(lǐng)域劃分的區(qū)域氫基能源需求預(yù)測方法，并以上海市為例，結(jié)合對相關(guān)企業(yè)的調(diào)研，詳細分析了上海市工業(yè)、交通、電力、建筑領(lǐng)域的氫基能源需求，并給出了供給方案。

研究結(jié)果表明：到2060 年，上海市工業(yè)領(lǐng)域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到108 萬t、299 萬t、107 萬t；交通領(lǐng)域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到10 萬t、66 萬t、30 萬t；電力領(lǐng)域氫、氨的年需求量分別達到2.12 萬t、160 萬t；建筑領(lǐng)域氫年需求量達1000 t。

建議上海市優(yōu)先布局海上風(fēng)電氫基能源基地，以及遼寧遼西、蒙東赤峰、吉林松原等外部新能源基地，形成碳中和時期供給體系；蒙西阿拉善、四川川西新能源基地可作為后續(xù)布局；青海格爾木新能源基地則為備選方案。

關(guān)鍵詞：新型能源體系；氫基能源；供需體系；需求分析

中圖分類號：TK91　文獻標志碼：A　　

預(yù)估至2025 年，中國電力在終端能源消費中的占比應(yīng)達到30%，而剩余的70% 仍依賴于非電能源( 比如：石油、天然氣等) [1]。當(dāng)前，電力生產(chǎn)高度依賴煤炭，火電排放引發(fā)了諸多環(huán)境問題[2]。

同時，交通、工業(yè)及農(nóng)業(yè)等非電領(lǐng)域，對化石燃料的需求量依然巨大，導(dǎo)致碳減排困難[3]。因此，中國各省、直轄市亟需構(gòu)建多元、清潔、低碳、可持續(xù)的新型能源體系，加速能源行業(yè)的戰(zhàn)略性整體轉(zhuǎn)型?！　?/span>

新型能源體系具有能源結(jié)構(gòu)新、系統(tǒng)形態(tài)新、產(chǎn)業(yè)體系新、治理體系新的“4 新”特征 [4]。構(gòu)建一條符合國情、彰顯中國特色的高質(zhì)量發(fā)展能源路徑，對于推動全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型具有重要意義，將為全球能源體系的改革貢獻出中國特色方案。

而在這一過程中，建立新型能源體系是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其需依托新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新模式，推動低碳、零碳、負碳項目的規(guī)?；茝V應(yīng)用[5]?！　?/span>

上海市新型能源體系結(jié)構(gòu)主要包含新型電力系統(tǒng)、新型油氣系統(tǒng)和新型交通系統(tǒng)等，其示意圖如圖1 所示。

其中，可再生能源制氫及其進一步合成的綠氨和綠甲醇等一系列氫基能源，既與電能一樣，屬于過程性能源，又與石油天然氣一樣屬于含能體能源。因其獨特的雙重屬性，可作為新型電力系統(tǒng)與新型油氣系統(tǒng)互通的介質(zhì)[6-7]?；跉浠茉礃?gòu)建的電- 氫- 電體系，將成為未來新型能源體系的關(guān)鍵部分。

在全國政策引導(dǎo)下，中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體呈現(xiàn)良好態(tài)勢[8]。目前中國氫產(chǎn)量主要來自于煤制氫與工業(yè)副產(chǎn)氫，未來隨著新型能源體系的建立，中國的綠氫需求將快速增長，以氫基能源為基礎(chǔ)的新型能源體系將成為重要的技術(shù)發(fā)展路線之一[9-10]。

為了對區(qū)域氫基能源的供需體系進行合理規(guī)劃布局，有必要對區(qū)域氫基能源的需求進行有效預(yù)測。在此背景下，本文在對中國工業(yè)、交通、電力、建筑4 大領(lǐng)域的氫基能原需求進行分析的基礎(chǔ)上，提出一種區(qū)域氫基能源需求預(yù)測方法；然后以上海市為例，深入剖析其在工業(yè)、交通、電力、建筑領(lǐng)域的氫基能源需求，并提出打造上海市全球氫基能源交易中心的設(shè)想，進一步分析并提出上海市氫基能源供給方案。

區(qū)域氫基能源需求分析方法

區(qū)域氫基能源需求分析方法是對當(dāng)前中國在工業(yè)、交通、電力、建筑4 大領(lǐng)域下各細分產(chǎn)業(yè)的能源消耗量進行分析，結(jié)合該領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢及氫基能源滲透率對相應(yīng)氫基能源需求量進行合理預(yù)測。

1.1 工業(yè)領(lǐng)域氫基能源需求

在工業(yè)領(lǐng)域，氫基能源需求主要集中在合成工業(yè)用氨、合成工業(yè)用甲醇、石油化工、冶金還原劑行業(yè)?！　?/span>

氨是多領(lǐng)域的關(guān)鍵原料，約70% 的氨被用于氮肥生產(chǎn)，其余則廣泛用于化工、電子等行業(yè)[11]。隨著農(nóng)業(yè)施肥優(yōu)化，化肥用氨需求量減少，但工業(yè)用氨需求量仍持續(xù)增長。未來，工業(yè)用氨需求量可能保持穩(wěn)定，受碳約束影響，綠氫將逐漸替代灰氫成為合成氨的主要原料?！　」I(yè)用甲醇是關(guān)鍵有機化工原料，廣泛應(yīng)用于多個工業(yè)領(lǐng)域。中國甲醇年產(chǎn)量約為8000 萬t，目前多依賴化石原料制甲醇。綠氫合成工業(yè)用甲醇是化工脫碳的重要途徑，未來其需求有望保持穩(wěn)定?！　?/span>

石油煉制是氫氣消費的重要領(lǐng)域，加氫裂化能夠提升油品質(zhì)量，氫需求量增速顯著[12]。同時石油煉化加氫將逐步轉(zhuǎn)向綠氫替代?！　?/span>

冶金還原劑行業(yè)是碳排放大戶，碳減排難度大，其中鋼鐵冶煉的碳排放量最大[13]。傳統(tǒng)高爐煉鐵的碳排放量高，而綠氫可替代煤炭實現(xiàn)從源頭降碳。

綜上，工業(yè)領(lǐng)域氫基能源需求分析方法主要為綜合統(tǒng)計合成工業(yè)用氨、工業(yè)用甲醇、石油化工、冶金還原劑行業(yè)的原料需求，并對未來工業(yè)減碳需求進行一定程度地預(yù)測。

1.2 交通領(lǐng)域氫基能源需求

交通領(lǐng)域氫基能源需求主要集中在公路運輸、鐵路及軌道交通、航空、航運行業(yè)，氫基能源是交通脫碳的關(guān)鍵。　　

在公路運輸行業(yè)中，中國氫燃料電池車的發(fā)展為“先商后乘”，聚焦于客車、重型卡車和物流車，適合中長途及高載重的車輛。甲醇燃料清潔高效，可用于多種車輛 [14]。雖然陸上交通電動化加速推進，但長途重型卡車難以實現(xiàn)電氣化?！　?/span>

在鐵路及軌道交通行業(yè)中，目前氫動力火車在國際上尚處于研發(fā)和試驗階段；而在中國高鐵高電氣化率的背景下，氫動力火車的需求有限。因此，暫不考慮在鐵路及軌道交通領(lǐng)域的氫基能源需求?！　?/span>

在航空行業(yè)中，綠色航空煤油源自非化石資源，減排效果顯著，發(fā)展此燃料是實現(xiàn)航空業(yè)減碳的關(guān)鍵。國際上成熟的綠色航空煤油制備工藝包括加氫精制、費托合成法，中國清華大學(xué)在綠色航空煤油柔性合成領(lǐng)域取得了重要進展[15]。中國航空業(yè)的煤油年消費量大且增長迅速，預(yù)計未來需求將倍增?！　?/span>

在航運業(yè)中，中國航運燃油的消費量巨大。綠色甲醇發(fā)展?jié)摿Υ螅浔阌趦Υ?，可低成本替代柴油，助力航運業(yè)減碳，多國視其為零碳燃料。2024 年4 月，中國首艘、世界最大的綠色甲醇加注船“海港致遠”號為靠泊在上海洋山港冠東碼頭的“阿斯特麗德馬士基”輪順利完成首次“船- 船”同步加注作業(yè)。未來，綠色甲醇燃料的加注需求將迎來顯著增長 [16]。

交通領(lǐng)域氫基能源需求分析方法是分析公路運輸、航空、航運行業(yè)的燃料應(yīng)用需求，并對未來綠色燃料需求進行一定程度地預(yù)測。

1.3 電力領(lǐng)域氫基能源需求

電力領(lǐng)域氫基能源需求主要集中在氣電摻氫、煤電摻氨和燃料電池發(fā)電行業(yè)?！　?/span>

氣電摻氫技術(shù)與燃氣輪機的發(fā)展緊密相關(guān)。美國通用電氣集團已成功運行含氫燃料機組，并計劃在2030 年前實現(xiàn)燃氣機組100% 燒氫，未來燃氣輪機100% 摻氫技術(shù)具有可行性[17]。2022 年，國家電力投資集團荊門綠動公司的荊門燃機項目成功實現(xiàn)了重大技術(shù)革新。該項目對在運重型燃機進行了改造，使其能夠摻入高達30% 等體積的氫氣進行燃燒供其運行，這是中國首次在商業(yè)運營的重型燃機中實施了高比例的摻氫技術(shù)試驗工作[18]。　　

未來，能源用氨需求將聚焦煤電摻氨領(lǐng)域[19]。煤電在中國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行中發(fā)揮著重要作用。隨著碳約束的逐漸加強，煤電摻氨成為除碳捕集與封存外另一種重要的煤電脫碳技術(shù)。2023 年，國家能源集團在中國神華廣東臺山電廠600 MW 煤電機組上成功實施了在高負荷運行的工況下煤炭摻氨燃燒技術(shù)的試驗驗證，該發(fā)電機組容量居國內(nèi)外同類試驗之首。未來，煤電摻氨的比例將快速增長，以保障電力領(lǐng)域“雙碳”目標的順利完成?！　?/span>

燃料電池是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，其體積能量密度低，適用于分布式電源 [20]。2024年6 月，中國首個2 MW 級氫燃料電池?zé)犭娐?lián)供示范項目在河南能源集團開元化工有限公司試運行成功。未來，中國燃料電池電站的分布式供電規(guī)模將逐步提高?！　?/span>

電力領(lǐng)域氫基能源需求的分析方法是評估氣電摻氫、煤電摻氨、燃料電池發(fā)電等應(yīng)用場景的摻混比例需求，并對未來新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

1.4 建筑領(lǐng)域氫基能源需求

建筑領(lǐng)域氫基能源需求主要集中在供暖( 空間采暖)、供熱( 生活熱水) 和天然氣管網(wǎng)摻氫行業(yè)[21]?！　?/span>

短期內(nèi)，氫氣可采用低體積比例摻入天然氣，利用現(xiàn)有管網(wǎng)低成本輸送。從長期來看，氫能將以燃料電池的形式參與建筑分布式供能。2023年，國家管網(wǎng)集團成功完成了國內(nèi)首次摻氫天然氣管道泄放噴射火試驗及封閉空間泄漏燃爆試驗，為構(gòu)建自主可控的天然氣長輸管道摻氫輸送技術(shù)體系奠定了堅實的理論與實驗基礎(chǔ)。此外，北京海得利茲新技術(shù)有限公司已在北京市大興區(qū)、山東省聊城市的氫能示范區(qū)投產(chǎn)運行了若干高溫膜燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)示范項目?！　?/span>

建筑領(lǐng)域氫基能源需求分析方法是評估建筑供熱需求、天然氣管網(wǎng)摻氫比例需求，并對未來綠色建筑的發(fā)展規(guī)模進行預(yù)測。

上海市氫基能源需求分析

根據(jù)上文介紹的區(qū)域氫基能源需求分析方法，以上海市為例，從其工業(yè)、交通、電力、建筑領(lǐng)域切入，對“雙碳”目標下上海市氫基能源需求進行分析。由于本文所調(diào)研企業(yè)的氫基能源相關(guān)項目均在 2025 年或之后投產(chǎn)，因此后文數(shù)據(jù)分析始于2025 年。

2.1 上海市工業(yè)領(lǐng)域氫基能源需求

上海市化工領(lǐng)域主要有5 個企業(yè)，分別為：中國石化上海石油化工股份有限公司、中國石化上海高橋石油化工有限公司、上海華誼能源化工有限公司、上海氯堿化工股份有限公司誼集團、上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，以及上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)工業(yè)氣體有限公司?！　?/span>

結(jié)合對上述企業(yè)的產(chǎn)能及規(guī)劃調(diào)研所得，對未來上海市工業(yè)領(lǐng)域氫基能源需求進行分析，可以得出：到2025 年，隨著相關(guān)企業(yè)氫氣供應(yīng)及配套項目建成投產(chǎn)，氫年需求量約為62 萬t，氨年需求量約為60 萬t，甲醇年需求量約為77 萬t；到2030 年，隨著相關(guān)企業(yè)產(chǎn)線擴能及工藝優(yōu)化，氫年需求量約為63 萬t，氨年需求量約為83 萬t，甲醇年需求量約為107 萬t；到2060 年，相關(guān)企業(yè)對甲醇的中長期需求維持在上述水平，氫年需求量約為108 萬t，氨年需求量約為299 萬t，甲醇需求量約為107 萬t。　　

上海市冶金領(lǐng)域主要以寶山鋼鐵股份有限公司( 僅包含其寶山基地，下文簡稱為“寶鋼股份”) 為主，該公司采用長流程煉鋼，核心設(shè)備包含4 座高爐( 鐵水年產(chǎn)能為1558 萬t) 和6 座轉(zhuǎn)爐( 粗鋼年產(chǎn)能為1650 萬t)，且寶鋼股份目前有5 座氫氣站。結(jié)合對寶鋼股份內(nèi)部長期規(guī)劃的調(diào)研所得，對上海市未來冶金領(lǐng)域氫基能源需求進行分析，可以得出：為滿足硅鋼綠色制造示范項目的建設(shè)需求，到2025 年，氫年需求量約為1 萬t；到2030 年，氫年需求量約為1.1萬t；未來，氣基直接還原煉鐵有望成為中國主要鋼鐵冶煉工藝流程之一，到2060 年，氫年需求量約為28.77 萬t。

2.2 上海市交通領(lǐng)域氫基能源需求

目前，氫氣在上海市交通領(lǐng)域主要用于公路運輸。截至2023 年6 月，上海氫燃料電池車( 含重型卡車) 達2757 輛?，F(xiàn)有18 座加氫站，其中11 座已合法運營，日供氫能力約為9700 kg。此外，甲醇在航運領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，上海國際港務(wù)( 集團)股份有限公司及多家企業(yè)積極布局加注設(shè)施。2023 年，上海港與多家船公司合作推進綠色甲醇加注，并于2024 年4 月實現(xiàn)首次大型綠色甲醇雙燃料動力集裝箱船舶“船-船”同步加注作業(yè)。目前，中國航空煤油的年消費量約為 3500 萬t，且航空運輸量仍在飛速增長。據(jù)預(yù)測，2050 年前后航空領(lǐng)域的能源需求量增長將超過100%，約達7000 萬t。上海航空旅客吞吐量約占全國航空旅客的7.7%，暫基于該比例估算上海航空煤油年消費量，綠色航空煤油中氫約占20%。

未來上海市公路運輸行業(yè)氫基能源需求分析如下：根據(jù)國內(nèi)外目前氫燃料電池車類型占比和百公里氫耗水平，預(yù)計到2025 年，公路運輸氫燃料電池車的年需氫量約為3.8 萬t；到2030 年，年需氫量約為5 萬t；到2060 年，年需氫量約為10 萬t?！　?/span>

未來上海市航運行業(yè)氫基能源需求分析如下：到2025 年，甲醇年需求量為2.3 萬t；至2030 年，甲醇加注量占港口使用燃料的10%，甲醇年需求量約為30 萬t；至2060 年，氨、氫作為燃料開始規(guī)?；瘧?yīng)用，分別約占加注燃料的20%，則氫年需求量約為10 萬t，氨年需求量約為66 萬，甲醇年需求量約為30 萬t?！　?/span>

未來上海市航空行業(yè)氫基能源需求分析如下：2025 年暫無需求；預(yù)計中國綠色航空煤油在2030 年左右實現(xiàn)商業(yè)化，市場份額約為10%，則綠氫年需求量約為5.39 萬t；到2060 年，綠色航空煤油的市場份額逐步提升至50%，綠氫年需求量約為53.9 萬t。

2.3 上海市電力領(lǐng)域氫基能源需求

目前，上海市的火電裝機容量為2557.43萬kW，為實現(xiàn)減碳目標，上海市將逐步推進氫、氨替代天然氣、燃煤。上海電氣集團股份有限公司在其大唐?？陧椖恐?，成功實現(xiàn)了對在役大F級重型燃氣輪機進行7% 等體積摻氫技術(shù)的自主創(chuàng)新升級，并通過嚴格的示范驗證過程，確保機組穩(wěn)定運行。上海市大量自備火電廠正在論證低碳燃料改造相關(guān)技術(shù)路線。上海浦江特種氣體有限公司擬建設(shè)2 MW 氫燃料電池系統(tǒng)，該項目已獲上海市發(fā)展和改革委員會批復(fù)，年耗氫量約為267 t，中長期暫無其它計劃項目?！　?/span>

對上海市氣電摻氫、煤電摻氨、氫燃料電池需求進行分析，可以得出：

1) 2025 年暫無氣電摻氫需求；隨著示范項目試點應(yīng)用，至2030 年，氫年需求量約為138 t；隨著高比例摻氫技術(shù)的推進，至2060 年，氫年需求量約為2.12 萬 t。

2) 2025 年暫無煤電摻氨需求；隨著示范項目試點應(yīng)用，至2030 年，氨年需求量約為23 t；隨著高比例摻氨技術(shù)的推進，至2060 年，氨年需求量約為160 萬 t。

3) 2025 年的燃料電池年用氫需求量約為267 t；至2030 年，年用氫量約為405 t；至2060年，年用氫量約為2 萬 t。

2.4 上海市建筑領(lǐng)域氫基能源需求

目前，上海市暫無氫基能源在建筑領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用。依據(jù)上海市發(fā)展規(guī)劃設(shè)想，建筑領(lǐng)域氫基能源需求為：2025 年暫無；至2030 年，進行天然氣管網(wǎng)摻氫與熱電聯(lián)供試點，年氫需求量約為20 t；至2060 年，隨著技術(shù)進一步推廣，年氫需求量約達1000 t。

2.5 小結(jié)

綜上，通過對上海市工業(yè)、交通、電力、建筑領(lǐng)域氫基能源的供需求進行分析，得出上海市氫基能源需求統(tǒng)計圖，如圖2 所示。

上海市綠色氫基能源供給體系分析

假設(shè)上海市要打造全球綠色氫基能源交易中心，為了滿足上海市本地和進出口對氫基能源的大量需求，在上海市土地資源緊缺的情況下，僅依靠陸上新能源發(fā)展已無法滿足綠色氫基能源規(guī)劃需求。因此，基于西北區(qū)域及上海市海上區(qū)域新能源發(fā)展?jié)摿?，對上海市氫基能源供給體系及其運輸成本進行分析，并對綠色氫基能源大基地實施方案進行建議。

3.1 電力輸送與貨運對比分析

以復(fù)奉特高壓直流輸電工程為例，四川省可再生能源電力成本約為0.33 元/kWh，特高壓輸電加價約為0.12 元/kWh，輸電末端成本約為0.45元/kWh。按氨( 醇) 制備約10000 kWh/t 對特高壓輸電加價進行換算，相當(dāng)于輸氨( 醇) 加價為1200 元/t。　　

經(jīng)調(diào)研，類比大型液化天然氣運輸船，氨(醇)水路每千公里運輸成本約為100 元/t；按2000 km考慮，則輸氨( 醇) 加價為200 元/t。內(nèi)蒙古—魯北鐵路段甲醇運費為290～400 元/t、陜西—魯北鐵路段甲醇運費為330～400 元/t、山西—魯北鐵路段甲醇運費為200～240 元/t，則氨( 醇) 鐵路每千公里運輸成本約為400 元/t；按2000 km考慮，則輸氨( 醇) 加價為800 元/t；氨( 醇) 支線公路每百公里運輸費用約30 元/t?！　?/span>

在外省( 市) 構(gòu)建氫基能源基地的基礎(chǔ)上，通過當(dāng)?shù)刂迫≡儇涍\氨( 醇) 的輸送費用優(yōu)于通過特高壓電力輸送至上海再制氫的輸送費用。氫基能源管道規(guī)?；斔托袠I(yè)的技術(shù)及商業(yè)模式暫未成熟，上海市氫基能源外供當(dāng)前展望主要以貨運為主。

3.2 上海市綠色氫基能源基地實施方案選擇

在上海市打造全球綠色氫基能源交易中心的設(shè)想下，綜合中國新能源資源潛力，上海市可通過上海海上風(fēng)電基地、遼寧遼西新能源基地、蒙東赤峰新能源基地、吉林松原新能源基地、蒙西阿拉善新能源基地、四川川西新能源基地、青海格爾木新能源基地來滿足其氫基能源需求?！　?/span>

目前，氫的大規(guī)模存儲運輸技術(shù)尚未突破，液態(tài)氨、甲醇更方便儲存和運輸[22-23]。因此，暫時考慮上海綠氫需求依靠上海海上風(fēng)電基地制氫供應(yīng)，綠氨、甲醇需求依靠外部省份各新能源基地輸送。各目標基地氫基能源輸送路線及費用如表1 所示。

依據(jù)上述分析結(jié)果，建議上海市優(yōu)先布局海上風(fēng)電氫基能源基地，以及遼寧遼西、蒙東赤峰、吉林松原新能源基地，形成碳中和時期上海氫基能源供給體系；其次可布局蒙西阿拉善、四川川西新能源基地，進一步擴大上海氫基能源供給需求，滿足碳達峰時期要求；青海格爾木新能源基地因運輸距離較遠，終端用價偏高，可作為備選方案。

結(jié)論

本文針對區(qū)域氫基能源供需體系，以上海市為典型案例，深入探索了基于領(lǐng)域劃分的氫基能源需求預(yù)測方法，通過對特定行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)企業(yè)未來規(guī)劃的精細化分析，得到了上海市在不同領(lǐng)域的氫基能源需求，并提出了供給方案。研究結(jié)果顯示：上海市到2060 年，工業(yè)領(lǐng)域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到108 萬t、299 萬t和107 萬t；交通領(lǐng)域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到10 萬t、66 萬t 和30 萬t；電力領(lǐng)域氫、氨的年需求量分別達到2.12 萬t 和160 萬t；建筑領(lǐng)域氫需求量達到1000 t。供給方面，鑒于上海市土地資源緊張，建議優(yōu)先布局海上風(fēng)電氫基能源基地及遼寧遼西、蒙東赤峰、吉林松原等外部新能源基地，形成碳中和時期供給體系；蒙西阿拉善、四川川西新能源基地可作為后續(xù)布局；青海格爾木新能源基地則為備選方案。　　

通過優(yōu)化技術(shù)、完善政策和加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，上海市有望在氫基能源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，為全球能源轉(zhuǎn)型提供經(jīng)驗。