“双碳”目标下的北京市氢能应用场景研究

基于碳达峰碳中和宏观政策背景,分析研判了北京市碳达峰碳中和时间节点。结合氢能关键技术发展趋势，对北京市碳达峰、碳中和年度的氢能应用场景进行了分析，研究设计了基于氢燃料电池、氢能分布式发电、氢燃气轮机、氢能航空技术等核心技术的燃油机动车辆替代、燃气发电替代、天然气掺氢供热、居民用氢燃料电池等六大领域应用场景，提出了制定氢能中长期战略规划等政策建议。研究结果显示，氢能在北京市碳达峰年份的碳减排贡献度约为0.2%，在碳中和年份的碳减排贡献度约为10.29%，氢能将成为北京市产业及能源体系的重要组成部分。

氢能是一种可增强能源系统柔性的二次能源，具有零排放、高能量密度、来源广泛、可实现长距离错峰能源调配、蕴含高产业附加值等典型特征，在全球应对气候变暖、世界经济衰退风险上升、能源供给形势复杂多变的大背景下，已经被多个国家和地区规划定位为未来战略产业及重要能源品种。我国于2022年发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》，明确了氢的能源属性，确定氢能是我国战略性新兴产业重点方向，并将成为我国未来能源体系的组成部分，推动加快落实国家碳达峰碳中和战略。研究分析氢能在未来能源体系中的结构特征，设计其在经济社会运行中的应用场景，进一步明确氢能发展路径，正在成为研究热点。本文结合北京市产业及能源发展特征、能源消费结构调整趋势以及经济发展阶段等基本情况，对北京市碳达峰碳中和节点进行了研判，基于有关结论对氢能未来应用场景进行了设计，量化分析了氢能对全市碳达峰碳中和的减碳成效。本文研究成果可为氢能应用、碳达峰碳中和实现路径等提供理论参考。

一、碳达峰碳中和目标分析

1.1碳达峰目标分析

按照世界碳达峰城市的主要规律分析，北京市能源利用效率持续保持省级最优水平、人均GDP达到2.8万美元(规律为2万美元)、人口总数于2016年显示达峰并趋于稳定、城市化率达到87.5%(规律为75%)、三产比重达到81.7%(规律为65%)、以前所未有的生态环境治理力度被联合国评价为“北京奇迹”(碳达峰城市环境质量要求高)，北京市已具备城市碳达峰发展特征。2010-2021年度北京市碳排放数据显示，2012年度碳排放呈现出1.595亿t的峰值，近年为波动下降趋势。北京市能源发展规划规定，到2025年二氧化碳排放总量率先达峰后稳中有降。根据以上分析，本文预设北京市碳达峰年份为2025年，碳排放峰值为1.595亿t。

1.2碳中和目标分析

北京市人均GDP连续多年保持在发达经济体水平，第三产业占比达81.7%，化石能源消费结构优于英国、美国、欧盟等发达国家和地区4.2～18.6个百分点(如表1所示)，近年可再生能源利用量年均增幅达9.4%，碳排放强度达到2.52tCO2/万美元(接近OECD国家水平)，具备在全国率先实现碳中和的经济社会发展及产业能源结构基础条件。

北京城市总体规划(2035)提出，能源消费总量到2035年力争控制在9000万吨标准煤左右，可再生能源占能源消费总量比重达到20%。2022年，北京市碳达峰实施方案对部分能源类目标进行了强化调整，规定2030年北京市可再生能源结构占比将比2025年增加10.6%。基于此，以可再生能源结构占比年均增幅2.12%进行初步匡算，考虑碳中和期(全市碳达峰后发布碳中和政策)政策强化效应因子,以中国工程院《中国碳达峰碳中和战略及路径》可再生能源占比达80%可实现碳中和的基准条件进行测算，可以测算北京市碳中和期。本文政策强化效应因子取2021年北京市发布《北京市进一步强化节能实施方案》强化政策期(供暖季)各领域强化减碳率的低位值1.6%。根据测算北京市2052年可再生能源结构占比可达81.2%，达到碳中和。碳中和期碳排放总量约为3399.2万t。

参照中国工程院《中国碳达峰碳中和战略及路径》中2035年实现化石能源达峰的研究结论，本文预设北京市2035年实现能源消费总量达峰，峰值取城市总体规划目标值9000万tce。

二、氢能对于北京市双碳目标贡献度分析

2.1氢能对于北京市的重要意义

发展氢能及相关产业对北京市有重要意义。氢能可再生、能量密度高(氢为143MJ/kg,汽油蒸汽为44MJ/kg)、来源广泛，可以作为能源直接应用于生产生活，也可以作为储能介质以气、液、固态长期储存，实现跨行业跨地区调配，具备成为战略能源的属性。北京市作为能源资源高度依靠外部的超大型城市,“十三五”以来外调能源比例保持在90.6%以上，发展氢能可以提升北京市能源应急储备能力，完善能源应急保障体系，增强能源系统韧性，为未来能源体系安全提供支撑。氢能是清洁高效的二次能源，应用场景丰富，能促进可再生能源的消纳和整合，是实现能源转型与碳中和的重要组成部分。氢能产业科技含量高、覆盖范围广、产业链条长，涵盖制取—储运—加注—能量转换—终端应用，涉及能源、化工、交通等多行业多环节，社会经济效益明显，是国家战略性新兴产业的重点方向，更是构建绿色低碳产业体系，打造产业转型升级的新增长点。

2.2氢能对于碳达峰目标的贡献度

北京市正式出台《氢能产业发展实施方案(2021-2025)》，规划了2025年(碳达峰目标年份)氢能应用场景及用氢量，主要包括约1万辆氢燃料电池汽车，经测算，氢能消耗量为37844.4t(183581.1tce);规划分布式发电装机，年用氢量约3600t(17463.4tce)。燃料电池汽车主要替代能源品种为成品油，分布式发电应用领域主要替代能源品种为电力。初步分析，2025年氢能替代成品油及电力的碳减排量为31.7595万t,约为峰值碳排放的0.2%。

2.3氢能对于碳中和目标的贡献度

日本、欧盟等国家和地区在氢能供热、供电相关技术及产品的研究、示范与产业化推广工作起步较早，家用氢燃料电池等技术已进入商业化推广阶段，其技术方向可以作为借鉴。分析认为居民生活、供热、道路交通、建筑业、航空业、燃气发电等六大领域将成为北京市碳中和期氢能主要应用场景。

2.3.1居民生活应用场景分析

日本于2005年启动家用燃料电池热电联供计划，目前已进入到商业化应用阶段，计划于2030年，推广至全国20%家庭。我国也于2021年启动了“氢进万家”科技示范工程。鉴于该技术在国内起步较晚，保守预设2052年，北京市达到20%家庭应用氢能源的替代目标。统计数据显示，2019年家庭用天然气399.7万m3.则可替代79.94万m3天然气，折合1240.4tce，实现减碳1935.01t。

2.3.2供热应用场景分析

天然气掺氢燃烧技术是未来供热等领域低碳化的重要方向,研究认为现有燃气管道掺加20%以内体积比例的氢，不会降低管道安全性和燃气使用性能。据此可预设2052年，北京市天然气管网掺氢20%的替代目标。统计数据显示，2019年，北京市供热领域天然气消耗为47.5亿m3.则氢能在2052年供热领域可实现11.85亿m3天然气替代，折合196.71万tce，实现减碳306.86万t。

2.3.3道路交通应用场景分析

氢燃料电池汽车是燃油车替代的重要技术方向。氢燃料电池汽车在重型货运、长途客车、出租车等驾驶距离长、载荷重的道路交通领域具有较大优势，且在北京冬奥会等已有应用示范。智库机构预测，交通领域氢能用量可达终端用能的30%，本文预设道路交通领域氢能替代率为30%(低于终端用能总量的30%)。统计数据显示，2019年，北京市道路交通领域油品消耗为363.97万tce，则氢能在2052年道路交通领域可实现136.24万tce的燃油替代，实现减碳235.7万t。

2.3.4建筑业应用场景分析

建筑业工程机械或车辆油品主要为柴油，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排放因子是天然气的1.32倍、1.16倍。北京市生态环境治理进入新阶段，要求PM2.5与臭氧协同治理，工程机械和工程车辆油品将成为氢能替代的重要方向。目前我国氢能工程机械或车辆已经逐步开始商业化。2019年度，北京市建筑业工程机械或车辆柴油消耗量为22.3万t，预设其柴油替代比例仍为30%(按照道路交通燃料电池车辆替代比例)，则氢能替代柴油约为12.16万tce，实现减碳21.04万t。

2.3.5航空业应用场景分析

氢能航空已经受到国内外充分重视。中国民用航空网公开信息显示,我国民航领域碳达峰氢能替代的三种情境分别为替代1000万t、600万t、300万t航空燃油;按照低位值300万t航空燃油氢能替代，则氢能在全部航空燃油中占比约为8.13%。据此预设北京市航空燃油替代比例为8.13%。以2019年全市航空煤油消耗697.2万t为基数测算，则氢能替代约为104.09万tce，实现减碳180.08万t。

2.3.6燃气发电应用场景分析

研究预测2050年绿氢成本将与化石能源持平，规模化绿氢将在发电领域得到广泛应用，“电-氢-电”模式将成为我国能源体系重要组成部分。基于此，预设2052年，氢能替代50%发电用燃气量。以2019年全市发电用天然气69.4亿m3为基数测算，则氢能替代天然气575.84万tce，实现减碳898.31万t。

各应用场景替代减碳量、贡献度如表2所示。

三、北京市氢能应用场景政策建议

3.1编制北京市氢能中长期战略规划

氢能对建立全市低碳、智慧、安全能源体系，示范引领全市战略性新兴产业高质量发展，加强终端用能低碳转型具有重要意义。2035年作为北京市双碳战略背景下的能耗达峰年份，是北京市实现碳中和战略的重要节点，更是落实北京城市总体规划(2035)的里程碑。有必要及时研究制定2035氢能中长期产业发展战略规划，做好氢能产业发展布局及有关重大项目储备。

3.2支持建设一批氢能应用场景

依托创新型绿色技术推荐目录、能源领域首台(套)重大技术装备、公共机构托管型合同能源管理等支持政策，在居民生活、产业园区、工业、建筑、公共机构等领域支持建设一批氢能应用场景，进一步丰富氢能终端应用示范。

3.3开展燃气管道掺氢项目示范

新时代环境治理要求协同推进降碳、减污、扩绿、增长。NOx是光化学反应生成近地面臭氧的重要大气污染物，主要来源是天然气燃烧。北京市天然气消耗比重大(2019年占比为34%)，开展天然气管道掺氢示范，将进一步加快全市能源结构优化调整，推动节能、减污、降碳协同开展。可在北京城市副中心等重点区域的政府投资类项目中试点开展天然气管道掺氢示范，带动稳步开展天然气替代工作。

四、结语

本文基于碳达峰碳中和宏观政策背景及面板数据、有关研究成果和北京市经济社会发展阶段特征，分析研判了北京市碳达峰碳中和的时间节点和碳排放情况。通过对氢能关键技术发展趋势、北京市碳排放重点领域等研究，设计了氢燃料电池汽车、天然气管道掺氢、氢气供热、氢能供热等可支撑北京市碳达峰碳中和目标实现的六个领域氢能应用场景，并提出了相应政策建议。本文研究成果可为碳达峰碳中和时间研判和氢能应用路径研究提供参考。