SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能ENERGYSAVINGSTRATEGYANDPOLICYSHANGHAIENERGYSAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING2022年第07期从可再生能源利用和工业副产氢资源情况看我国氢能供给潜力成鸣峰申能（集团）有限公司摘要：氢能具有零碳、清洁、可存储、可与电双向转化的特性，是有效实现“碳达峰、碳中和”的能源载体，在未来可再生能源开发利用过程中发挥重要作用。通过调研及挖掘我国各地区可再生能源开发和利用现状及工业副产氢资源情况，进而分析及预测中国氢能资源开发潜力，以期提高可再生能源利用率，提升氢能开发经济性。结论为探索国内氢能资源开发提供了方向，为未来各地区氢能应用奠定了基础。关键词：氢能；风电；光伏；水电DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2022.07.003StudyonHydrogenEnergySupplyPotentialinChinafromPerspectiveofRenewableEnergyUtilizationandIn-dustrialBy-ProductHydrogenResourcesCHENGMingfengShenergyGroupCo.,Ltd.Abstract:Hydrogenenergyhasthecharacteristicsofzerocarbon,clean,storableandbidirectionalconversionwithelectricity.Itisanenergycarriertoeffectivelyrealize"carbonpeakingandcarbonneu-trality",andplaysanimportantroleinthedevelopmentandutilizationofrenewableenergyinthefuture.Thispaperinvestigatesandexcavatesthecurrentsituationofrenewableenergydevelopmentandutili-zationandindustrialby-producthydrogenresourcesinvariousregionsofChina,andthenanalyzes收稿日期：2022-05-27作者简介：成鸣峰（1982-07-），男，硕士，经济师，主要从事能源类技术及经济管理工作785SHANGHAIENERGYSAVING上海节能No.072022SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.082018ENERGYSAVINGSTRATEGYANDPOLICY节能战略与政策andpredictsthedevelopmentpotentialofhydrogenenergyresourcesinChina,inordertoimprovetheutilizationrateofrenewableenergyandtheeconomyofhydrogenenergydevelopment.Theconclusionofthispaperprovidesadirectionforexploringthedevelopmentofdomestichydrogenenergyresourcesandlaysafoundationfortheapplicationofhydrogenenergyinvariousregionsinthefuture.Keywords:HydrogenEnergy;WindPower;Photovoltaic;Hydropower0引言应对气候变化，脱碳经济势在必行。在全球减排背景下，氢能发展成为热潮。氢经济被认为是21世纪世界经济新的增长极，对加快推进我国能源生产和消费革命，加速新时代能源转型发展具有重大的现实意义［1］。氢能作为二次能源是全球能源系统脱碳的关键支柱，是实现碳中和的最佳能源载体［2］。近年来，为实现“碳达峰、碳中和”目标，我国新一代能源系统正处于向能源互联网转型的关键期。可再生能源发展实现历史性突破。2020年底，我国风电、光伏累计装机分别达到2.8亿、2.5亿kW［3］。风电、光伏等新能源的固有波动性和随机性给我国电力系统运行带来前所未有的安全隐患问题。大规模的可再生能源并网将对电力系统的灵活性提出更高的要求。此外，因为用能需求与资源禀赋存在不匹配现象，导致风电、水电等难以即时、就地消纳，造成大量弃风弃光。氢能作为一种零碳排、可存储、可与电双向转化的灵活性资源载体，能够实现新一代能源互联网“源网荷储”的协调互动和高度融合。且氢的储能属性使其具备跨长时空灵活应用的潜力，能与可再生能源有效衔接，助力可再生能源消纳与更大规模发展，有效提高能源系统灵活性。为了更好地挖掘氢能在区域能源网络中的应用潜力，必须了解各区域的氢能资源状况。目前，氢的制备方法已比较成熟，主要分为工业副产提纯制氢、电解水制氢、化石燃料制氢等，各技术路线的供应成本、环保效益、产品纯度不尽相同。本文通过统计并分析我国各省市可再生资源的分布情况，以及工业副产氢资源现状，预测国内氢能资源的开发潜力。1中国可再生能源资源禀赋及利用情况1.1风电资源2020年，风电新增装机7167万kW，平均利用小时数达2097h，风电平均利用小时数较高的地区是福建、云南、广西和四川。至2020年底，全国风电累计装机2.81亿kW，各地区累计风电装机量如图1所示［4］。至2020年底，全国弃风量约166亿kWh，全国平均弃风率达3%。全国各地区弃风量如图2所示，其中弃风率超过5%的地区分别有新疆（弃风率10.3%、弃风电量49.7亿kWh），内蒙古（弃风率9.3%、弃风电量39.6亿kWh），甘肃（弃风率6.4%、弃风电量16.8亿kWh），湖南（弃风率5.5%、弃风电量5.8亿kWh）。上述4个省份弃风电量共计111.9亿kWh，约占全国弃风电量的70%［5］。1.2光伏资源至2020年，全国光伏发电累计装机容量约为2.53亿kW，累计发电量达2245.11亿kWh，比2019年增长了15.13%，各地区累计光伏装机量如图3所示［6］。光伏利用小时数达1160h，比2019年的1169h低0.8%。全国弃光电量为46.99亿kWh，弃光率为2%。从地区划分上看，西北和西南地区的光伏消纳出现问题较为严重，弃光电量为31.65亿786SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能ENERGYSAVINGSTRATEGYANDPOLICYSHANGHAIENERGYSAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING2022年第07期kWh，占全国的67%以上。全国各地弃光量分布如图4所示，其中，西藏弃光率达25.4%、弃光电量4.8亿kWh；青海弃光率8.0%、弃光电量14.4亿kWh；新疆弃光率4.6%、弃光电量7.2亿kWh；内蒙古弃光率4.0%、弃光电量5.3亿kWh。除山西、陕西、河北、吉林以及山东弃光率在1%以上，其余省份均无明显弃光现象。图1至2020年底中国各地区累计风电装机量（万kW）图2至2020年底中国各地区弃风量（亿kWh）图3至2020年底中国各地区累计光伏装机量（万kW）图4至2020年底中国各地区弃光量（亿kWh）1.3水电资源我国水电站装机容量约为3.7亿kW，主要分布在西北、西南地区，地区差异大。其中，四川、云南、湖北是我国水电资源最为丰富的省份，从水电装机容量布局看，这3个省份装机容量分别为7892万kW、7556万kW、3757万kW，以大型常规水电站为主，领先于其他省份。截至2020年12月，全国水电装机分布占比如图5所示。调研数据显示，2020年全年水力发电量达13000亿kWh以上，同比增长3.9%，目前中国水力发电量占总发电量的17.4%。全国主要流域弃水电量约301亿kWh，水能利用率约96.61%［7］。从可再生能源利用和工业副产氢资源情况看我国氢能供给潜力787SHANGHAIENERGYSAVING上海节能No.072022SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.082018ENERGYSAVINGSTRATEGYANDPOLICY节能战略与政策图5至2020年中国各地区水电装机分布占比综上所述，截至2020年底我国可再生能源装机情况和弃风弃光情况如图6所示。由此可以得出，我国水电资源主要集中在华东、华南以及西南东部地区；风电和光伏资源西北和华北地区较为丰富，且消纳不足，有大量富余可再生能源浪费。而华东地区部分省市虽然风电和光伏装机容量较大，但由于用户负荷较高，均能够完全消纳。若利用弃风弃光以及富余水电制氢，使无法并网的可再生能源就地消纳，在当电力质量较差或者电力不足时，通过氢储能a）至2020年底全国各地区风电/光伏/水电装机情况b）至2020年底全国各地区弃风/弃光情况图6至2020年底我国可再生能源装机情况和弃风弃光情况788SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能ENERGYSAVINGSTRATEGYANDPOLICYSHANGHAIENERGYSAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING2022年第07期反向向电网送电，快速调节功率，不仅可以降低高比例可再生能源并网的不稳定性，还可以充分利用弃风弃光，提高可再生能源发电的利用小时数。此外，通过氢转运跨区域调度使用，将多余绿电向负荷集中地区输送，提高光伏、风电经济效益，有效利用可再生能源，降低碳排放。2中国工业副产氢资源现状及预测2.1焦炉煤气副产氢公开数据显示，中国2017年的焦炭产能超6亿t，产量在4亿t以上。2018至2020年，中国每年仍有4000万t以上的焦炭新增产能持续释放。与此同时，“十三五”期间，焦化行业落后产能大量淘汰。从区域上来说，中国焦炭产能与粗钢产能基本匹配，具体分布情况如图7，华北地区和华东地区是两大焦炭生产区，其中华北地区焦炭产能占全国38%，华东地区产能占比21%。图7中国焦炭产量占比目前，基于环保与碳排放要求，大部分焦炉煤气已经有下游利用方式，除一半用于回炉助燃，另外一半副产品常被用于制合成氨或制甲醇等物质。虽已有众多下游利用路径，但焦炉煤气净化技术与PSA分离技术的成熟，使焦炉煤气制氢成本可以低于1元/Nm3，这有利于焦炉煤气副产氢资源有继续挖掘的潜力。从图7饼状图分析得知，华东、华北两地焦炉煤气生产装置多，产能也较大，有利于就近供应南部沿海负荷需求大的城市。目前只需投入较低的成本就能对现有的焦炉煤气制化学品装置进行改造，从而建成一套氢气分离、提纯和压缩环节，这样不仅能生产出满足氢燃料电池需求的高质量氢气，还能实现下游产品的多元化，以对冲合成氨、甲醇等化学品价格波动的市场风险。《中国氢能与燃料电池汽车年度报告2018》指出2013-2017年中国焦炭产量与副产氢气潜力如图8。图82013-2017年中国焦炭产量与副产氢潜力2.2氯碱工业副产氢调研数据显示，直至2017年底，中国烧碱总产能达4100万t以上，比2016年底净增加了150万t以上，烧碱产量约达3400万t。从各省份发展来看，中国烧碱产量排名前五的分别是山东、江苏、内蒙古、新疆与河南5省份，总产量达到2000万t以上，约占全国产量的60%（如图9所示)。氯碱厂以NaCl溶液为原料，经过PSA提氢装置处理去除杂质后，可获得纯度高达99%以上的氢气，其生产成本约1.3元/m3。图92017年中国烧碱产量占比氯碱工业中，每生产1t烧碱约副产氢气量280m3，而目前大多数氯碱企业都忽略了副产氢的利用价值。若将氯碱企业高达30%的副产氢气放空率加以从可再生能源利用和工业副产氢资源情况看我国氢能供给潜力789SHANGHAIENERGYSAVING上海节能No.072022SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能No.082018ENERGYSAVINGSTRATEGYANDPOLICY节能战略与政策利用，那么此类副产氢也可以成为我国氢能产业的一个重要来源。但相对PDH、乙烷裂解项目来说，氯碱化工单个企业可利用放空副产氢量较小，且产能更加分散。2017年，中国烧碱产量排名前十的上市公司烧碱总产量仅有500万t左右（如表1所示)，占全国总产量的15%，企业内部利用规模均不超过1万t/a。因此，氯碱工业副产氢更符合就近原则，降低运输成本。表1氯碱化工上市企业2017年烧碱产量与可利用放空氢量企业名称新疆中泰化学上海氯碱化工滨化集团唐山三友化工内蒙古君正能源化工集团方大锦化化工科技浙江嘉华能源化工宁夏英力特化工四川金路集团潍坊亚星化工总计总部所在地新疆乌鲁木齐上海山东滨州河北唐山内蒙古乌海辽宁葫芦岛浙江嘉兴宁夏石嘴山四川德阳山东潍坊2017年烧碱产量（万t）12274.4567.7654.5349.1743.8632.1618.3315.1211.65489可利用放空氢量（以30%放空率计算，万t）0.920.560.510.410.370.330.240.140.220.093.672.3丙烷脱氢截至2020年12月，全国各地有关丙烷脱氢项目落地信息层出不穷，预示着未来我国丙烯产能将迅速增长。调研数据显示，未来将有30多个丙烷脱氢项目投建，丙烯总产能超过3000万t/a，副产氢约120万t/a。根据丙烷脱氢项目的发展现况看，通过丙烷脱氢副产气产生的氢量在未来5年将有大幅提升，预估产能如图10。从氢能发展角度看，工业副产氢应结合地域资源禀赋，分阶段发展，与多种其它氢源相协调。发展初期，氢资源多用于示范项目或燃料电池汽车，需求量较小，对生产、生活的影响不大，着眼于氢源经济便利性。到中后期不仅要考虑大量工业需求，更应当注重能源转型和绿色可持续发展问题，结合当地资源，统筹规划工业副产氢的应用方式，与其它氢源一起实现多元供应。图102020-2025年中国丙烷脱氢项目副产氢气产能预估3中国各区域氢能潜力预测综合以上可再生能源及工业副产氢状况分析，本文通过计算、预测并绘制出2025年中国氢资源潜力系列图（图11至图14）。由全国各省份能源量数据可知，不同区域的资源禀赋差异较大，单一氢源无法满足氢能行业发展，未来氢源应因地制宜、多元发展。图11预计2025年各区域氢来源占比图图12预计2025年各区域氢来源图（除水电制氢）790SHANGHAIENERGYCONSERVATION上海节能ENERGYSAVINGSTRATEGYANDPOLICYSHANGHAIENERGYSAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING2022年第07期图13预计2025年各地区产氢总量图142025年我国（部分）地区产氢量预测图目前，利用富余水电进行电解水制氢是现阶段产生大量高纯度氢气的推荐途径。从地域划分上看，沿海地区临近港口，可以用氯碱、炼化、石化等副产氢，随着海上风电项目的增多，风电制氢在沿海地区也是可发展的新方向。华北、东北地区工业发达，可用工业尾气副产氢，但这其中的部分氢源仅可用于工业领域，达不到氢燃料电池可用标准。西南地区、华中和华南部分地区可利用丰富的弃水电量电解水制氢。“三北”地区可利用弃风弃光电量电解水制氢。随着可再生能源装机比例的不断攀升，可再生能源制氢的优势将更加凸显。从产氢总量上看，西南地区由于人口密度小，负荷需求量低，却拥有丰富的水资源（四川、云南、贵州），因此本文认为其是最适合大量产氢的地区。东北地区由于可再生能源装机量相对较小，但用能需求大，几乎没有可支配的富余能源，因此不适合产氢储氢。4总结本文通过对中国国内各地区可再生能源开发利用现状及工业副产氢资源情况的分析，预测2025年国内各地区氢能资源的开发潜力。得到以下结果：西南地区、华中和华南部分地区可再生能源富余，负荷密度相对较低，可利用丰富的弃水电量电解水制氢；“三北”地区可利用弃风弃光电量电解水制氢产氢。可再生能源制氢是全生命周期理论碳排放较低的制取方式，也是促进该地区可再生能源消纳且具备经济性优势的适宜选择。参考文献：［1］鲍金成，赵子亮，马秋玉.氢能技术发展趋势综述［J］.汽车文摘，2020（2）:6-11.DOI:10.19822/j.cnki.1671-6329.20190026.［2］雷超，李韬.碳中和背景下氢能利用关键技术及发展现状［J］.发电技术，2021，42（2）:207-217.［3］杨馥源，田雪沁，徐彤，王新雷，滕越，王缔.面向碳中和电力系统转型的电氢枢纽灵活性应用［J］.电力建设，2021，42（8）:110-117.［4］王秀强.朝阳之晖，与时并明——2020年中国风电行业回顾与展望［J］.能源，2021（2）:60-65.［5］国家能源局.2020年可再生能源发展情况总结．［EB/OL］.https://www.sohu.com/a/448938398_734062.2022.02.28.［6］金艳梅，江华，强彦政，李嘉彤，王青，茹佳林，陈丽.中国光伏产业2020年回顾与2021年展望［J］.太阳能，2021（4）:42-50.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20210304.b.［7］张彬.“双碳”目标下水电未来发展思路浅析［J］.中国电业，2021（12）:78-80.从可再生能源利用和工业副产氢资源情况看我国氢能供给潜力791