“氫能十解”之七：新型能源體系的氫密碼

作者 | 水電水利規劃設計總院 張益國、姜海、熊力

能源消費總量與結構發展趨勢

我國一次能源消費總量將在2035年前后達峰，依據現有能源消費增長趨勢研判，我國一次能源消費峰值將達到64.5億噸標準煤，2040年仍處于達峰前后的“平臺期”，一次能源消費總量還將維持在64.5億噸標準煤左右的高位。

未來我國能源消費較長時期內仍將保持增長，在水電等傳統非化石能源受站址資源約束增速放緩、核電建設逐步向新一代先進核電技術穩步過渡的情況下，雙碳目標的實現，從供給側來看主要取決于風能和太陽能發電的發展。不同時期的能源消費總量、非化石能源消費占比要求與能源電力消費結構等，共同決定了不同時期的風能、太陽能發電的發展規模預期。

按風電、光伏年均增量基本保持合理考慮，兼顧新能源產業產能發展及國民經濟發展的用能需求，以及到2060年非化石能源占比將達到80%以上的辦界條件，我們按基礎場景和對比場景兩個場景對2040年的能源消費總量和結構進行分析，其主要結論如下。

基礎場景：非化石能源占比2030年至2060年年均勻速按1.83%增長，至2040年為43.3%，2040年風電、光伏裝機總規模約為38.6億千瓦，電力系統碳排放量（不考慮CCUS）將在2030年達到峰值、峰值為42.8億噸。

對比場景：考慮到非化石能源占比目標先慢后快發展，2030年至2040年非化石能源占比年均按1.5%增長，至2040年為40%，2040年風電、光伏裝機總規模約為34.4億千瓦，電力系統碳排放量（不考慮CCUS）將在2030年達到峰值、峰值為45.6億噸。

基礎場景：2025-2060年一次能源消費總量、電力系統碳排放量與非化

對比場景：2025-2060年一次能源消費總量、電力系統碳排放量與非化

新型能源體系展望

可再生能源制綠氫，以及進一步轉化而來的綠氨和綠甲醇等氫基能源，與電能一樣既屬于“過程性能源”，又與石油天然氣一樣屬于“含能體能源”，氫基能源因其獨特的雙重屬性承擔起使新型電力系統與新型能源體系互通的媒介。

在“雙碳”目標下，為加快構建新型電力系統，需要充足的靈活性資源。制氫作為用電負荷是一種典型的靈活性資源，可以提高新能源利用率，助力新型能源體系的構建。通過煤電摻氨與氣電摻氫燃燒發電，可有效實現火電清潔低碳轉型，同時通過儲氫（氨），可實現長周期儲能，解決跨季能源平衡問題。

在當前“西電東送”及大規模開發“沙戈荒”外送基地的背景下，未來特高壓送出廊道緊張的局面將進一步加劇，綠氫、綠氨或綠甲醇可通過管輸的方式實現長距離經濟輸送，是對特高壓電力送出的一種有效補充。初步研究認為，為實現“碳中和”目標，未來全國綠氫年需求將達到約1.2億噸，相應需配套約26億千瓦新能源資源與12億千瓦制氫設備。為實現氫能長距離經濟輸運，需構建以“西氫東輸”為主的全國骨干氫網，初步估算管道總長度約9.3萬公里，可承載約7900萬噸/年的輸氫能力（相當于2.61億噸原油的熱值，約占我為年原油使用量的1/3左右），其相應總投資超過10萬億元人民幣。

我們展望的新型能源體系是以安全自主為底線，以綠色低碳為方向，以經濟高效為關鍵，面向中國式現代化的能源體系，將以新型電力系統為核心，以化石能源為兜底保障，以氫基能源為介質、推動電力系統與非電能源協同發展，能源創新產業鏈與供應鏈深度融合貫通的能源體系。

能源結構新：未來，主體能源逐步實現從化石到非化石的更替，非化石能源占能源消費總量的比重目前為17.5%，到2060年將提高到80%以上，非化石能源增量組合形式呈現多種可能。

系統形態新：新型能源體系將在現有能源體系上不斷升級演進和變革重塑，逐步構建起新型電力系統、氫能等新的二次能源系統和化石能源零碳化利用系統，多能互補、源網荷儲一體化、供需高效互動等成為普遍形態，能源空間布局實現優化。

產業體系新：新型能源體系催生新技術、新產業、新模式，低碳零碳負碳技術裝備大規模推廣應用，新能源等戰略性新興產業發展成為新的增長引擎，新一代信息技術、人工智能等與能源系統深度融合，數字能源產業發展壯大。

治理體系新：新型能源體系將形成與現代化強國相適應的能源治理體系，法律法規政策體系健全完善，體制機制更加高效有活力，各種要素資源實現高效配置，各類市場主體創新動力和能力明顯提高。

新型能源體系結構網絡圖

構建新型能源體系的被賦予的使命是保障國家能源安全，為中國式現代化提供源源不斷的能源保障，與此同時還應保證為綠色低碳、高效智能的能源體系。要想到達上述使命目標，不能只依靠新型電力系統的轉型，同步也需有一定規模的可靠能源品類作為兜底保障。因此，新型能源體系應該是由以可再生能源為主體的新型電力系統和以“氫基能源”為首的新型能源品種兩部分作為主要支撐，兩者相互促進，相互依托，以綠色氫基能源為橋梁，共同組建中國式新型能源體系。

加快構建“源網荷儲”智能協同的新型電力系統

隨著電力供給結構以化石能源發電為主體向新能源提供可靠電力支撐轉變，解決新能源發電隨機性、波動性、季節不均衡性帶來的系統平衡問題，多時間尺度儲能技術規模化應用，系統形態逐步由“源網荷”三要素向“源網荷儲”四要素轉變。新型電力系統建設形勢緊迫，需解決地區電力供應緊張、系統調節能力和支撐能力需求增加、高比例電力電子設備“雙高”持續提升、源網荷儲各環節控制規模指數級增長帶來的調控技術手段和網絡安全防護、電力關鍵核心技術裝備短板、適應新型電力系統的體制機制面臨改革等問題和挑戰。

考慮到支撐高比例新能源接入系統和外送消納，未來電力系統仍將以交直流區域互聯大電網為基本形態，同時柔性交直流輸電等新型輸電技術將得到廣泛應用。以分布式智能電網為方向的新型配電系統形態逐步成熟，就地就近消納新能源將成為主流，形成“分布式”與“大電網”兼容并存的電網格局。提升發電側新能源并網友好性，強化新型電力系統綠色屬性；充分激活用戶側資源的靈活互動潛力，強化新型電力系統調節柔性；提升電網安全防御能力和資源配置能力，強化新型電力系統安全韌性；支撐新型電力系統市場化變革，助力新型電力系統市場機制創新。

2030年新能源發電量占比逐步攀升，繼續采取集中式與分布式、外送消納與就地消納并舉的模式加快新能源部署。在2045年初步建成以新能源為主體的新型電力系統，新能源發電量占比達50%，消納模式轉變為就地消納為主，低成本儲能方式大量應用，數字技術在電力系統各環節廣泛應用、有效融合，支撐電網向柔性化、數字化、智能化方向穩步升級，推動能源產業新生態加速形成。在2060年全面建成以新能源為主體的電力系統，新型電力系統基本成熟，電-氫耦合融合發展，電力系統促進氫能產業快速發展。

新型電力系統的建設將根本改變目前我國化石能源為主的發展格局，全面實現電代煤、電代油、電代氣，推動各產業用能形式向低碳化發展，以新能源為電量供給主體的電力資源與其他二次能源融合利用，構建多種能源與電能互聯互通的能源體系。綠色氫基能源作為清潔優質的二次能源，可以與電能相互轉化，既消費電能又生產電能，是新型電力系統重要的平衡調節參與力量，能夠解決可再生能源電力消納、火電低碳轉型、跨季節長時儲能等問題，并提供雙碳目標下電力系統的可選解決方案。

逐步形成“產供運用”一體化的新型油氣系統

隨著雙碳戰略快速推進，綠色低碳生活生產方式的加速轉變，我國石油消費量在快速達峰后將逐步下降，石化產業面臨結構調整和轉型發展壓力。

展望未來傳統油氣產業及企業完成綠色轉型的一個行之有效的途徑是將氫基能源（氫、氨、甲醇）引入油氣領域，提出“新型油氣”概念，通過綠色廉價的新能源電力制取綠氫，依托煤化工、煤電及油氣田等產生的富集二氧化碳資源，作為原料供煉化生產綠色油品、綠色化工產品，帶動氫基能源產業發展，實現傳統油氣行業轉型。以綠氫為中間環節，實現化石能源和清潔能源之間的多能互補轉換樞紐的功能。探索開展大規模風光制氫、分布式發電、熱電聯供等新型供能和用能模式，探索實現氫、水與二氧化碳合成反應制備一系列化工產品的技術路線，架起氫能在化石能源和清潔能源之間交叉利用的橋梁，實現二氧化碳的清潔可持續減排和資源化利用，逐步提升綠色能源供給水平。

油氣行業發展模式需順應雙碳目標下綠色低碳和可持續發展要求，與新能源深度融合是實現行業綠色低碳發展的有效途徑。油氣行業可憑借自身優勢，借助油氣管網或構建“全國骨干氫網”開展跨區域氫基能源的輸送，打造可與“電力電網”相當的“新型油氣輸配管網”，未來可有效釋放西部區域規模化新能源制氫（氨、醇）潛力，實現跨日、月、季型長周期儲能，同時拉動氫能下游在交通、電力、工業等方向多元化發展，帶動“火電摻氨”、“氣電摻氫”等降碳減碳技術路線的實施和發展，助力碳中和目標的如期實現。

積極布局“電-氫-資源”耦合互為支撐的新型能源體系

一是，利用可再生能源電制氫，促進可再生能源消納。我國可再生能源發展領先全球，隨著大規模可再生能源的快速發展，其運行消納問題會進一步顯現，利用可再生能源制氫可有效提升我國可再生能源消納水平。以新能源電力制氫促進新能源消納，以新能源發展促進建設成本下降，以建設成本降低促進電價下降，以電價下降提高綠氫經濟性，形成新能源產業鏈的良性循環。

二是，利用氫儲能特性，實現電能跨季節長周期大規模存儲。隨著我國電力結構轉型的進行，新能源裝機比例將不斷提升，電力系統對靈活性的要求使得大規模與長時間儲能的需求增加，安全、可持續和負擔得起的能源就成為了未來儲能的關鍵因素。電化學儲能存在儲能時間短，容量規模等級小等不足，目前主要用于電網調頻調峰、平滑新能源出力波動性，實現小時級別的短周期響應與調節；抽水蓄能作為長時儲能的代表同時也存在建設要求較高等短板，在水資源匱乏及地形地質條件差地區難以作為；氫儲能具有儲能容量大、儲存時間長、清潔無污染和消納方向廣等優點，能夠在抽水蓄能、電化學儲能等主流儲能形式不適用的場景發揮優勢，在大容量長周期調節的場景中，氫儲能在經濟性上更具有競爭力。

三是，利用氫能電站快速響應能力和產熱能力，為新型電力系統提供靈活調節手段，為周圍生活區域提供熱能支持。基于電解水制氫裝備具有較寬的功率波動適應性，可為電網提供調峰能力，提高電力系統安全性、可靠性、靈活性，是構建零碳電網和新型電力系統的重要手段。而基于高溫固體氧化物燃料電池SOFC的燃料電池/電解槽則在提供更高能量密度的同時產生高品質余熱，SOFC/SOEC系統工作溫度500-1000攝氏度，出口氣體溫度達到400-900攝氏度，以燃料電池熱電聯供方式取代傳統鍋爐單獨供熱方式可提高能源綜合利用率并實現碳減排效果。

四是，推動氫能與工業領域有機融合，實現綠氫取代，促進減排改革。以新能源項目為基礎，發展新能源風光制氫+氨（醇）一體化項目，打通氫、氨、醇運輸壁壘，形成“電-氫-能源-消費”一條龍式綠色能源消費鏈。支持工業氫冶金及石油氣資源加氫合成技術，以氫為介質支撐綠色電力在化工領域發揮減排作用，探索氫能與燃料電池作為分布式供能手段，實現區域分布式能源供給。推動氫能跨領域多類型能源網絡互聯互通，拓展電能綜合利用途徑。

傳統能源體系隨著氫基能源框架的建立而打破，新型能源體系將以小步快走的方式完成變革。當前我國正在實現氫基能源由示范項目階段向規模化應用過渡，將在條件匹配的能源利用場景率先實現氫能取代。在“碳達峰”階段各類示范項目延伸拓展，產業之間融合互補，氫能社會骨架基本形成，氫能初步支撐起新型能源體系構建。在“碳中和”階段實現氫能在各行各業全面參與，電力系統-氫基能源-油氣系統充分耦合，助力“碳中和”這一偉大愿景的實現。