基于碳達(dá)峰碳中和宏觀政策背景,分析研判了北京市碳達(dá)峰碳中和時(shí)間節(jié)點(diǎn)。結(jié)合氫能關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢，對北京市碳達(dá)峰、碳中和年度的氫能應(yīng)用場景進(jìn)行了分析，研究設(shè)計(jì)了基于氫燃料電池、氫能分布式發(fā)電、氫燃?xì)廨啓C(jī)、氫能航空技術(shù)等核心技術(shù)的燃油機(jī)動車輛替代、燃?xì)獍l(fā)電替代、天然氣摻氫供熱、居民用氫燃料電池等六大領(lǐng)域應(yīng)用場景，提出了制定氫能中長期戰(zhàn)略規(guī)劃等政策建議。研究結(jié)果顯示，氫能在北京市碳達(dá)峰年份的碳減排貢獻(xiàn)度約為0.2%，在碳中和年份的碳減排貢獻(xiàn)度約為10.29%，氫能將成為北京市產(chǎn)業(yè)及能源體系的重要組成部分。

氫能是一種可增強(qiáng)能源系統(tǒng)柔性的二次能源，具有零排放、高能量密度、來源廣泛、可實(shí)現(xiàn)長距離錯(cuò)峰能源調(diào)配、蘊(yùn)含高產(chǎn)業(yè)附加值等典型特征，在全球應(yīng)對氣候變暖、世界經(jīng)濟(jì)衰退風(fēng)險(xiǎn)上升、能源供給形勢復(fù)雜多變的大背景下，已經(jīng)被多個(gè)國家和地區(qū)規(guī)劃定位為未來戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)及重要能源品種。我國于2022年發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035)》，明確了氫的能源屬性，確定氫能是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)方向，并將成為我國未來能源體系的組成部分，推動加快落實(shí)國家碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略。研究分析氫能在未來能源體系中的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)其在經(jīng)濟(jì)社會運(yùn)行中的應(yīng)用場景，進(jìn)一步明確氫能發(fā)展路徑，正在成為研究熱點(diǎn)。本文結(jié)合北京市產(chǎn)業(yè)及能源發(fā)展特征、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整趨勢以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段等基本情況，對北京市碳達(dá)峰碳中和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研判，基于有關(guān)結(jié)論對氫能未來應(yīng)用場景進(jìn)行了設(shè)計(jì)，量化分析了氫能對全市碳達(dá)峰碳中和的減碳成效。本文研究成果可為氫能應(yīng)用、碳達(dá)峰碳中和實(shí)現(xiàn)路徑等提供理論參考。

一、碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)分析

1.1碳達(dá)峰目標(biāo)分析

按照世界碳達(dá)峰城市的主要規(guī)律分析，北京市能源利用效率持續(xù)保持省級最優(yōu)水平、人均GDP達(dá)到2.8萬美元(規(guī)律為2萬美元)、人口總數(shù)于2016年顯示達(dá)峰并趨于穩(wěn)定、城市化率達(dá)到87.5%(規(guī)律為75%)、三產(chǎn)比重達(dá)到81.7%(規(guī)律為65%)、以前所未有的生態(tài)環(huán)境治理力度被聯(lián)合國評價(jià)為“北京奇跡”(碳達(dá)峰城市環(huán)境質(zhì)量要求高)，北京市已具備城市碳達(dá)峰發(fā)展特征。2010-2021年度北京市碳排放數(shù)據(jù)顯示，2012年度碳排放呈現(xiàn)出1.595億t的峰值，近年為波動下降趨勢。北京市能源發(fā)展規(guī)劃規(guī)定，到2025年二氧化碳排放總量率先達(dá)峰后穩(wěn)中有降。根據(jù)以上分析，本文預(yù)設(shè)北京市碳達(dá)峰年份為2025年，碳排放峰值為1.595億t。

1.2碳中和目標(biāo)分析

北京市人均GDP連續(xù)多年保持在發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體水平，第三產(chǎn)業(yè)占比達(dá)81.7%，化石能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)于英國、美國、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)4.2～18.6個(gè)百分點(diǎn)(如表1所示)，近年可再生能源利用量年均增幅達(dá)9.4%，碳排放強(qiáng)度達(dá)到2.52tCO2/萬美元(接近OECD國家水平)，具備在全國率先實(shí)現(xiàn)碳中和的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及產(chǎn)業(yè)能源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)條件。

北京城市總體規(guī)劃(2035)提出，能源消費(fèi)總量到2035年力爭控制在9000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右，可再生能源占能源消費(fèi)總量比重達(dá)到20%。2022年，北京市碳達(dá)峰實(shí)施方案對部分能源類目標(biāo)進(jìn)行了強(qiáng)化調(diào)整，規(guī)定2030年北京市可再生能源結(jié)構(gòu)占比將比2025年增加10.6%。基于此，以可再生能源結(jié)構(gòu)占比年均增幅2.12%進(jìn)行初步匡算，考慮碳中和期(全市碳達(dá)峰后發(fā)布碳中和政策)政策強(qiáng)化效應(yīng)因子,以中國工程院《中國碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略及路徑》可再生能源占比達(dá)80%可實(shí)現(xiàn)碳中和的基準(zhǔn)條件進(jìn)行測算，可以測算北京市碳中和期。本文政策強(qiáng)化效應(yīng)因子取2021年北京市發(fā)布《北京市進(jìn)一步強(qiáng)化節(jié)能實(shí)施方案》強(qiáng)化政策期(供暖季)各領(lǐng)域強(qiáng)化減碳率的低位值1.6%。根據(jù)測算北京市2052年可再生能源結(jié)構(gòu)占比可達(dá)81.2%，達(dá)到碳中和。碳中和期碳排放總量約為3399.2萬t。

參照中國工程院《中國碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略及路徑》中2035年實(shí)現(xiàn)化石能源達(dá)峰的研究結(jié)論，本文預(yù)設(shè)北京市2035年實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)總量達(dá)峰，峰值取城市總體規(guī)劃目標(biāo)值9000萬tce。

二、氫能對于北京市雙碳目標(biāo)貢獻(xiàn)度分析

2.1氫能對于北京市的重要意義

發(fā)展氫能及相關(guān)產(chǎn)業(yè)對北京市有重要意義。氫能可再生、能量密度高(氫為143MJ/kg,汽油蒸汽為44MJ/kg)、來源廣泛，可以作為能源直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活，也可以作為儲能介質(zhì)以氣、液、固態(tài)長期儲存，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)跨地區(qū)調(diào)配，具備成為戰(zhàn)略能源的屬性。北京市作為能源資源高度依靠外部的超大型城市,“十三五”以來外調(diào)能源比例保持在90.6%以上，發(fā)展氫能可以提升北京市能源應(yīng)急儲備能力，完善能源應(yīng)急保障體系，增強(qiáng)能源系統(tǒng)韌性，為未來能源體系安全提供支撐。氫能是清潔高效的二次能源，應(yīng)用場景豐富，能促進(jìn)可再生能源的消納和整合，是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與碳中和的重要組成部分。氫能產(chǎn)業(yè)科技含量高、覆蓋范圍廣、產(chǎn)業(yè)鏈條長，涵蓋制取—儲運(yùn)—加注—能量轉(zhuǎn)換—終端應(yīng)用，涉及能源、化工、交通等多行業(yè)多環(huán)節(jié)，社會經(jīng)濟(jì)效益明顯，是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，更是構(gòu)建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系，打造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新增長點(diǎn)。

2.2氫能對于碳達(dá)峰目標(biāo)的貢獻(xiàn)度

北京市正式出臺《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案(2021-2025)》，規(guī)劃了2025年(碳達(dá)峰目標(biāo)年份)氫能應(yīng)用場景及用氫量，主要包括約1萬輛氫燃料電池汽車，經(jīng)測算，氫能消耗量為37844.4t(183581.1tce);規(guī)劃分布式發(fā)電裝機(jī)，年用氫量約3600t(17463.4tce)。燃料電池汽車主要替代能源品種為成品油，分布式發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域主要替代能源品種為電力。初步分析，2025年氫能替代成品油及電力的碳減排量為31.7595萬t,約為峰值碳排放的0.2%。

2.3氫能對于碳中和目標(biāo)的貢獻(xiàn)度

日本、歐盟等國家和地區(qū)在氫能供熱、供電相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品的研究、示范與產(chǎn)業(yè)化推廣工作起步較早，家用氫燃料電池等技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)化推廣階段，其技術(shù)方向可以作為借鑒。分析認(rèn)為居民生活、供熱、道路交通、建筑業(yè)、航空業(yè)、燃?xì)獍l(fā)電等六大領(lǐng)域?qū)⒊蔀楸本┦刑贾泻推跉淠苤饕獞?yīng)用場景。

2.3.1居民生活應(yīng)用場景分析

日本于2005年啟動家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供計(jì)劃，目前已進(jìn)入到商業(yè)化應(yīng)用階段，計(jì)劃于2030年，推廣至全國20%家庭。我國也于2021年啟動了“氫進(jìn)萬家”科技示范工程。鑒于該技術(shù)在國內(nèi)起步較晚，保守預(yù)設(shè)2052年，北京市達(dá)到20%家庭應(yīng)用氫能源的替代目標(biāo)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年家庭用天然氣399.7萬m3.則可替代79.94萬m3天然氣，折合1240.4tce，實(shí)現(xiàn)減碳1935.01t。

2.3.2供熱應(yīng)用場景分析

天然氣摻氫燃燒技術(shù)是未來供熱等領(lǐng)域低碳化的重要方向,研究認(rèn)為現(xiàn)有燃?xì)夤艿罁郊?0%以內(nèi)體積比例的氫，不會降低管道安全性和燃?xì)馐褂眯阅堋?jù)此可預(yù)設(shè)2052年，北京市天然氣管網(wǎng)摻氫20%的替代目標(biāo)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年，北京市供熱領(lǐng)域天然氣消耗為47.5億m3.則氫能在2052年供熱領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)11.85億m3天然氣替代，折合196.71萬tce，實(shí)現(xiàn)減碳306.86萬t。

2.3.3道路交通應(yīng)用場景分析

氫燃料電池汽車是燃油車替代的重要技術(shù)方向。氫燃料電池汽車在重型貨運(yùn)、長途客車、出租車等駕駛距離長、載荷重的道路交通領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢，且在北京冬奧會等已有應(yīng)用示范。智庫機(jī)構(gòu)預(yù)測，交通領(lǐng)域氫能用量可達(dá)終端用能的30%，本文預(yù)設(shè)道路交通領(lǐng)域氫能替代率為30%(低于終端用能總量的30%)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年，北京市道路交通領(lǐng)域油品消耗為363.97萬tce，則氫能在2052年道路交通領(lǐng)域可實(shí)現(xiàn)136.24萬tce的燃油替代，實(shí)現(xiàn)減碳235.7萬t。

2.3.4建筑業(yè)應(yīng)用場景分析

建筑業(yè)工程機(jī)械或車輛油品主要為柴油，其排放包括CO2、NOx、SO2.柴油排放因子高于其他化石能源，其CO2、SO2排放因子是汽油的1.07倍、6.2倍，其CO2、NOx排放因子是天然氣的1.32倍、1.16倍。北京市生態(tài)環(huán)境治理進(jìn)入新階段，要求PM2.5與臭氧協(xié)同治理，工程機(jī)械和工程車輛油品將成為氫能替代的重要方向。目前我國氫能工程機(jī)械或車輛已經(jīng)逐步開始商業(yè)化。2019年度，北京市建筑業(yè)工程機(jī)械或車輛柴油消耗量為22.3萬t，預(yù)設(shè)其柴油替代比例仍為30%(按照道路交通燃料電池車輛替代比例)，則氫能替代柴油約為12.16萬tce，實(shí)現(xiàn)減碳21.04萬t。

2.3.5航空業(yè)應(yīng)用場景分析

氫能航空已經(jīng)受到國內(nèi)外充分重視。中國民用航空網(wǎng)公開信息顯示,我國民航領(lǐng)域碳達(dá)峰氫能替代的三種情境分別為替代1000萬t、600萬t、300萬t航空燃油;按照低位值300萬t航空燃油氫能替代，則氫能在全部航空燃油中占比約為8.13%。據(jù)此預(yù)設(shè)北京市航空燃油替代比例為8.13%。以2019年全市航空煤油消耗697.2萬t為基數(shù)測算，則氫能替代約為104.09萬tce，實(shí)現(xiàn)減碳180.08萬t。

2.3.6燃?xì)獍l(fā)電應(yīng)用場景分析

研究預(yù)測2050年綠氫成本將與化石能源持平，規(guī)模化綠氫將在發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，“電-氫-電”模式將成為我國能源體系重要組成部分。基于此，預(yù)設(shè)2052年，氫能替代50%發(fā)電用燃?xì)饬俊Ｒ?019年全市發(fā)電用天然氣69.4億m3為基數(shù)測算，則氫能替代天然氣575.84萬tce，實(shí)現(xiàn)減碳898.31萬t。

各應(yīng)用場景替代減碳量、貢獻(xiàn)度如表2所示。

三、北京市氫能應(yīng)用場景政策建議

3.1編制北京市氫能中長期戰(zhàn)略規(guī)劃

氫能對建立全市低碳、智慧、安全能源體系，示范引領(lǐng)全市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加強(qiáng)終端用能低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。2035年作為北京市雙碳戰(zhàn)略背景下的能耗達(dá)峰年份，是北京市實(shí)現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略的重要節(jié)點(diǎn)，更是落實(shí)北京城市總體規(guī)劃(2035)的里程碑。有必要及時(shí)研究制定2035氫能中長期產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，做好氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局及有關(guān)重大項(xiàng)目儲備。

3.2支持建設(shè)一批氫能應(yīng)用場景

依托創(chuàng)新型綠色技術(shù)推薦目錄、能源領(lǐng)域首臺(套)重大技術(shù)裝備、公共機(jī)構(gòu)托管型合同能源管理等支持政策，在居民生活、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、工業(yè)、建筑、公共機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域支持建設(shè)一批氫能應(yīng)用場景，進(jìn)一步豐富氫能終端應(yīng)用示范。

3.3開展燃?xì)夤艿罁綒漤?xiàng)目示范

新時(shí)代環(huán)境治理要求協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長。NOx是光化學(xué)反應(yīng)生成近地面臭氧的重要大氣污染物，主要來源是天然氣燃燒。北京市天然氣消耗比重大(2019年占比為34%)，開展天然氣管道摻氫示范，將進(jìn)一步加快全市能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，推動節(jié)能、減污、降碳協(xié)同開展。可在北京城市副中心等重點(diǎn)區(qū)域的政府投資類項(xiàng)目中試點(diǎn)開展天然氣管道摻氫示范，帶動穩(wěn)步開展天然氣替代工作。

四、結(jié)語

本文基于碳達(dá)峰碳中和宏觀政策背景及面板數(shù)據(jù)、有關(guān)研究成果和北京市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展階段特征，分析研判了北京市碳達(dá)峰碳中和的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和碳排放情況。通過對氫能關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢、北京市碳排放重點(diǎn)領(lǐng)域等研究，設(shè)計(jì)了氫燃料電池汽車、天然氣管道摻氫、氫氣供熱、氫能供熱等可支撐北京市碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的六個(gè)領(lǐng)域氫能應(yīng)用場景，并提出了相應(yīng)政策建議。本文研究成果可為碳達(dá)峰碳中和時(shí)間研判和氫能應(yīng)用路徑研究提供參考。