2021-2022碳中和背景下煤炭制氢的 低碳发展 分析报告 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 CO 2 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 CO 2 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 202 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 202 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 202 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 CO 2 ，将制约自身发展，这就要求结合 CCS 技术，为其碳约束“松绑” 。 0 10 20 30 40 50 60 70 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 H 2 ) 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。 7 CO 2 当量 (CO 2 e)/kg H 2 。从碳足迹构成来看，煤炭制氢环节排放贡献 最大，为 20.90 kg CO 2 e/kg H 2 ，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 CO 2 e/kg H 2 ，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 CO 2 浓度在 80%以上，相应的 CO 2 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 CO 2 ，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 CO 2 。结 合 CCS 技术将使煤炭制氢成本增加 51.5%，达 13.13 元 /kg H 2 。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，我国氢气需求增量仍将主要由煤炭 制氢技术供给。而从长期来看， 我国低碳发展诉求逐步增强， “碳中 8 和”目标对我国气候治理提出更高要求，提高“绿氢”比重或将成为 氢能产业发展的未来趋势。 三、我国煤炭制氢低碳发展建议 着眼于未来， 氢气将在我国经济的绿色低碳转型进程中发挥重要 作用。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， 但其长期发展受高碳排放制约。 为助推 “碳中和” 目标实现，我国的氢源结构亟需由“灰氢”向“蓝氢” 、 “绿氢”转变。 报告发现，作为主要的制氢方式，煤炭制氢结合 CCS 技术后， 碳足迹显著下降，虽成本有所增加 ，短期内相比其他制氢技术仍具有 一定竞争优势。基于以上分析， 为统筹煤炭制氢和其他（当前与未来 潜在）主要制氢技术低碳发展潜力和 经济性，推动氢能产业低碳可持 续发展，本报告提出以下四方面政策建议： 一是制定与 CCS 技术规划相匹配的煤炭制氢发展战略。 从国家 层面做好涉及项目布局时间、地域、对象等的 CCS 技术规划，是实 现我国“碳中和”目标的重要措施。未来煤炭制氢发展需结合 CCS 技术。在制定煤炭制氢行业发展规划时，需结合国家 CCS 技术规划 内容，注重未来两类技术时空维度层 面的发展匹配，进而更合理地指 导未来煤炭制氢行业低碳发展。 二是部署结合 CCS 技术的煤炭制氢规模化示范项目。 我国已有 小规模结合 CCS 技术的煤炭制氢示范项目，但仍需要进行规模化示 范，以更科学全面地验证技术可行性 和经济性、发现并改进项目实施 中存在的技术与管理问题、积累技术 与管理经验。规模化示范项目资 9 金可通过企业自筹、合作企业、国家补贴、国际合作等多渠道获取。 三是出台财税支持政策。 CCS 技术的配套将显著增加煤炭制氢 成本。我国尚未出台强制煤炭制氢配套 CCS 技术政策，使得企业通 过 CCS 技术减排的主动性差。未来，可依托现有财税法律法规，出 台支持煤炭制氢结合 CCS 技术的相关政策法规，通过减免现有税费、 给予财政补贴的方式，提高煤炭制氢企业配套 CCS 技术的积极性。 四是建立健全纳入煤炭制氢行业的碳交易或碳税机制。 长期来 看，煤炭制氢结合 CCS 技术是发展的必然选择。短期内通过财税支 持政策可提高煤炭制氢企业部署 CCS 技术的积极性，推动示范项目 开展，但不适用于大规模推广。 建立健全纳入煤炭制氢行业的碳交易 或碳税机制，通过碳交易或碳税机制倒逼煤炭制氢企业部署 CCS 技 术，是实现煤炭制氢技术低碳可持续发展的关键。 主要参考文献 1 陈毕杨 , 曹尚峰 . 焦炉煤气制氢方法的比较及成本分析 J. 低温与特气 , 2017, 35(01): 28-30. 2 刘百强 . 炼钢焦炉煤气提纯氢气与天然 气转化制氢经济性对比 J. 炼油技 术与工程 , 2014, 44(05): 61-64. 3 中国氢能联盟 . 中国氢能源及燃料电池产业白皮书 R. 北京 : 中国氢能源 及燃料电池产业创新战略联盟 , 2019. 4 中国政府网 . 关于 2019 年国民经济和社会发展计划执行情况与 2020 年国民 经济和社会发展计划草案的报告 EB/OL. 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Emerald Publishing Limited, 2018. 魏一鸣 , 廖华等 . 能源经济学（第三版） . 北京 : 中国人民大学出版社 , 2019. 魏一鸣 . 中国能源经济数字图解 2014-2018. 北京 : 经济管理出版社 , 2019. 魏一鸣，廖华，余碧莹，唐葆君等 . 中国能源报告（ 2018） ：能源密集型部门绿 色转型研究 . 北京 : 科学出版社 , 2018. 中心近年“能源经济预测与展望”报告 总期次报告题目总期次报告题目 1 “十二五”中国能源和碳排放预测与展望 29 2017年我国碳市场预测与展望 2 2011年国际原油价格分析与走势预测 30 新时代能源经济预测与展望 3 2012年国际原油价格分析与趋势预测 31 2018年国际原油价格分析与趋势预测 4 我国中长期节能潜力展望 32 2018年石化产业前景预测与展望 5 我国省际能源效率指数分析与展望 33 新能源汽车新时代新征程:2017回顾及未来展望 6 2013年国际原油价格分析与趋势预测 34 我国电动汽车动力电池回收处置现状、趋势及对策 7 2013年我国电力需求分析与趋势预测 35 我国碳交易市场回顾与展望 8 国家能源安全指数分析与展望 36 新贸易形势下中国能源经济预测与展望 9 中国能源需求预测展望 37 2019年国际原油价格分析与趋势预测 10 2014年国际原油价格分析与趋势预测 38 我国农村居民生活用能现状与展望 11 我国区域能源贫困指数 39 高耗能行业污染的健康效应评估与展望 12 国家能源安全分析与展望 40 我国社会公众对雾霾关注的热点与展望 13 经济“新常态”下的中国能源展望 41 我国新能源汽车行业发展水平分析及展望 14 2015年国际原油价格分析与趋势预测 42 2019年光伏及风电产业前景预测与展望 15 我国新能源汽车产业发展展望 43 经济承压背景下中国能源经济发展与展望 16 我国区域碳排放权交易的潜在收益展望 44 2020年光伏及风电产业前景预测与展望 17 “十三五”及2030年能源经济展望 45 砥砺前行中的新能源汽车产业 18 能源需求预测误差历史回顾与启示 46 2020年国际原油价格分析与趋势预测 19 2016年国际原油价格分析与趋势预测 47 二氧化碳捕集利用与封存项目进展与布局展望 20 2016年石油产业前景预测与展望 48 2020年碳市场预测与展望 21 海外油气资源国投资风险评价指数 49 我国“十四五”能源需求预测与展望 22 “十三五”北京市新能源汽车节能减排潜力分析 50 基于行业视角的能源经济指数研究 23 “十三五”碳排放权交易对工业部门减排成本的影响51 全球气候保护评估报告 24 “供给侧改革”背景下中国能源经济形势展望 52 全球气候治理策略及中国碳中和路径展望 25 2017年国际原油价格分析与趋势预测 53 新能源汽车产业2020 年度回顾与未来展望 26 新能源汽车推广应用：2016回顾与2017展望 54 碳中和背景下煤炭制氢的低碳发展 27 我国共享出行节能减排现状及潜力展望 55 2021 年国际原油价格分析与趋势预测 28 我国电子废弃物回收处置现状及发展趋势展望 56 中国省际能源效率指数（2010-2018）