基于碳達峰碳中和宏觀(guān)政策背景,分析研判了北京市碳達峰碳中和時(shí)間節點(diǎn)。結合氫能關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢，對北京市碳達峰、碳中和年度的氫能應用場(chǎng)景進(jìn)行了分析，研究設計了基于氫燃料電池、氫能分布式發(fā)電、氫燃氣輪機、氫能航空技術(shù)等核心技術(shù)的燃油機動(dòng)車(chē)輛替代、燃氣發(fā)電替代、天然氣摻氫供熱、居民用氫燃料電池等六大領(lǐng)域應用場(chǎng)景，提出了制定氫能中長(cháng)期戰略規劃等政策建議。研究結果顯示，氫能在北京市碳達峰年份的碳減排貢獻度約為0.2%，在碳中和年份的碳減排貢獻度約為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。

氫能是一種可增強能源系統柔性的二次能源，具有零排放、高能量密度、來(lái)源廣泛、可實(shí)現長(cháng)距離錯峰能源調配、蘊含高產(chǎn)業(yè)附加值等典型特征，在全球應對氣候變暖、世界經(jīng)濟衰退風(fēng)險上升、能源供給形勢復雜多變的大背景下，已經(jīng)被多個(gè)國家和地區規劃定位為未來(lái)戰略產(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(cháng)期規劃(2021-2035)》，明確了氫的能源屬性，確定氫能是我國戰略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)方向，并將成為我國未來(lái)能源體系的組成部分，推動(dòng)加快落實(shí)國家碳達峰碳中和戰略。研究分析氫能在未來(lái)能源體系中的結構特征，設計其在經(jīng)濟社會(huì )運行中的應用場(chǎng)景，進(jìn)一步明確氫能發(fā)展路徑，正在成為研究熱點(diǎn)。本文結合北京市產(chǎn)業(yè)及能源發(fā)展特征、能源消費結構調整趨勢以及經(jīng)濟發(fā)展階段等基本情況，對北京市碳達峰碳中和節點(diǎn)進(jìn)行了研判，基于有關(guān)結論對氫能未來(lái)應用場(chǎng)景進(jìn)行了設計，量化分析了氫能對全市碳達峰碳中和的減碳成效。本文研究成果可為氫能應用、碳達峰碳中和實(shí)現路徑等提供理論參考。

一、碳達峰碳中和目標分析

1.1碳達峰目標分析

按照世界碳達峰城市的主要規律分析，北京市能源利用效率持續保持省級最優(yōu)水平、人均GDP達到2.8萬(wàn)美元(規律為2萬(wàn)美元)、人口總數于2016年顯示達峰并趨于穩定、城市化率達到87.5%(規律為75%)、三產(chǎn)比重達到81.7%(規律為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”(碳達峰城市環(huán)境質(zhì)量要求高)，北京市已具備城市碳達峰發(fā)展特征。2010-2021年度北京市碳排放數據顯示，2012年度碳排放呈現出1.595億t的峰值，近年為波動(dòng)下降趨勢。北京市能源發(fā)展規劃規定，到2025年二氧化碳排放總量率先達峰后穩中有降。根據以上分析，本文預設北京市碳達峰年份為2025年，碳排放峰值為1.595億t。

1.2碳中和目標分析

北京市人均GDP連續多年保持在發(fā)達經(jīng)濟體水平，第三產(chǎn)業(yè)占比達81.7%，化石能源消費結構優(yōu)于英國、美國、歐盟等發(fā)達國家和地區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9.4%，碳排放強度達到2.52tCO2/萬(wàn)美元(接近OECD國家水平)，具備在全國率先實(shí)現碳中和的經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展及產(chǎn)業(yè)能源結構基礎條件。

北京城市總體規劃(2035)提出，能源消費總量到2035年力爭控制在9000萬(wàn)噸標準煤左右，可再生能源占能源消費總量比重達到20%。2022年，北京市碳達峰實(shí)施方案對部分能源類(lèi)目標進(jìn)行了強化調整，規定2030年北京市可再生能源結構占比將比2025年增加10.6%?；诖?，以可再生能源結構占比年均增幅2.12%進(jìn)行初步匡算，考慮碳中和期(全市碳達峰后發(fā)布碳中和政策)政策強化效應因子,以中國工程院《中國碳達峰碳中和戰略及路徑》可再生能源占比達80%可實(shí)現碳中和的基準條件進(jìn)行測算，可以測算北京市碳中和期。本文政策強化效應因子取2021年北京市發(fā)布《北京市進(jìn)一步強化節能實(shí)施方案》強化政策期(供暖季)各領(lǐng)域強化減碳率的低位值1.6%。根據測算北京市2052年可再生能源結構占比可達81.2%，達到碳中和。碳中和期碳排放總量約為3399.2萬(wàn)t。

參照中國工程院《中國碳達峰碳中和戰略及路徑》中2035年實(shí)現化石能源達峰的研究結論，本文預設北京市2035年實(shí)現能源消費總量達峰，峰值取城市總體規劃目標值9000萬(wàn)tce。

二、氫能對于北京市雙碳目標貢獻度分析

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(lái)源廣泛，可以作為能源直接應用于生產(chǎn)生活，也可以作為儲能介質(zhì)以氣、液、固態(tài)長(cháng)期儲存，實(shí)現跨行業(yè)跨地區調配，具備成為戰略能源的屬性。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(lái)外調能源比例保持在90.6%以上，發(fā)展氫能可以提升北京市能源應急儲備能力，完善能源應急保障體系，增強能源系統韌性，為未來(lái)能源體系安全提供支撐。氫能是清潔高效的二次能源，應用場(chǎng)景豐富，能促進(jìn)可再生能源的消納和整合，是實(shí)現能源轉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(cháng)，涵蓋制取—儲運—加注—能量轉換—終端應用，涉及能源、化工、交通等多行業(yè)多環(huán)節，社會(huì )經(jīng)濟效益明顯，是國家戰略性新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向，更是構建綠色低碳產(chǎn)業(yè)體系，打造產(chǎn)業(yè)轉型升級的新增長(cháng)點(diǎn)。

2.2氫能對于碳達峰目標的貢獻度

北京市正式出臺《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施方案(2021-2025)》，規劃了2025年(碳達峰目標年份)氫能應用場(chǎng)景及用氫量，主要包括約1萬(wàn)輛氫燃料電池汽車(chē)，經(jīng)測算，氫能消耗量為37844.4t(183581.1tce);規劃分布式發(fā)電裝機，年用氫量約3600t(17463.4tce)。燃料電池汽車(chē)主要替代能源品種為成品油，分布式發(fā)電應用領(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(wàn)t,約為峰值碳排放的0.2%。

2.3氫能對于碳中和目標的貢獻度

日本、歐盟等國家和地區在氫能供熱、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。分析認為居民生活、供熱、道路交通、建筑業(yè)、航空業(yè)、燃氣發(fā)電等六大領(lǐng)域將成為北京市碳中和期氫能主要應用場(chǎng)景。

2.3.1居民生活應用場(chǎng)景分析

日本于2005年啟動(dòng)家用燃料電池熱電聯(lián)供計劃，目前已進(jìn)入到商業(yè)化應用階段，計劃于2030年，推廣至全國20%家庭。我國也于2021年啟動(dòng)了“氫進(jìn)萬(wàn)家”科技示范工程。鑒于該技術(shù)在國內起步較晚，保守預設2052年，北京市達到20%家庭應用氫能源的替代目標。統計數據顯示，2019年家庭用天然氣399.7萬(wàn)m3.則可替代79.94萬(wàn)m3天然氣，折合1240.4tce，實(shí)現減碳1935.01t。

2.3.2供熱應用場(chǎng)景分析

天然氣摻氫燃燒技術(shù)是未來(lái)供熱等領(lǐng)域低碳化的重要方向,研究認為現有燃氣管道摻加20%以?xún)润w積比例的氫，不會(huì )降低管道安全性和燃氣使用性能。據此可預設2052年，北京市天然氣管網(wǎng)摻氫20%的替代目標。統計數據顯示，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11.85億m3天然氣替代，折合196.71萬(wàn)tce，實(shí)現減碳306.86萬(wàn)t。

2.3.3道路交通應用場(chǎng)景分析

氫燃料電池汽車(chē)是燃油車(chē)替代的重要技術(shù)方向。氫燃料電池汽車(chē)在重型貨運、長(cháng)途客車(chē)、出租車(chē)等駕駛距離長(cháng)、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(huì )等已有應用示范。智庫機構預測，交通領(lǐng)域氫能用量可達終端用能的30%，本文預設道路交通領(lǐng)域氫能替代率為30%(低于終端用能總量的30%)。統計數據顯示，2019年，北京市道路交通領(lǐng)域油品消耗為363.97萬(wàn)tce，則氫能在2052年道路交通領(lǐng)域可實(shí)現136.24萬(wàn)tce的燃油替代，實(shí)現減碳235.7萬(wàn)t。

2.3.4建筑業(yè)應用場(chǎng)景分析

建筑業(yè)工程機械或車(chē)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，工程機械和工程車(chē)輛油品將成為氫能替代的重要方向。目前我國氫能工程機械或車(chē)輛已經(jīng)逐步開(kāi)始商業(yè)化。2019年度，北京市建筑業(yè)工程機械或車(chē)輛柴油消耗量為22.3萬(wàn)t，預設其柴油替代比例仍為30%(按照道路交通燃料電池車(chē)輛替代比例)，則氫能替代柴油約為12.16萬(wàn)tce，實(shí)現減碳21.04萬(wàn)t。

2.3.5航空業(yè)應用場(chǎng)景分析

氫能航空已經(jīng)受到國內外充分重視。中國民用航空網(wǎng)公開(kāi)信息顯示,我國民航領(lǐng)域碳達峰氫能替代的三種情境分別為替代1000萬(wàn)t、600萬(wàn)t、300萬(wàn)t航空燃油;按照低位值300萬(wàn)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%。據此預設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(wàn)t為基數測算，則氫能替代約為104.09萬(wàn)tce，實(shí)現減碳180.08萬(wàn)t。

2.3.6燃氣發(fā)電應用場(chǎng)景分析

研究預測2050年綠氫成本將與化石能源持平，規?；G氫將在發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛應用，“電-氫-電”模式將成為我國能源體系重要組成部分?；诖?，預設2052年，氫能替代50%發(fā)電用燃氣量。以2019年全市發(fā)電用天然氣69.4億m3為基數測算，則氫能替代天然氣575.84萬(wàn)tce，實(shí)現減碳898.31萬(wàn)t。

各應用場(chǎng)景替代減碳量、貢獻度如表2所示。

三、北京市氫能應用場(chǎng)景政策建議

3.1編制北京市氫能中長(cháng)期戰略規劃

氫能對建立全市低碳、智慧、安全能源體系，示范引領(lǐng)全市戰略性新興產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加強終端用能低碳轉型具有重要意義。2035年作為北京市雙碳戰略背景下的能耗達峰年份，是北京市實(shí)現碳中和戰略的重要節點(diǎn)，更是落實(shí)北京城市總體規劃(2035)的里程碑。有必要及時(shí)研究制定2035氫能中長(cháng)期產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰略規劃，做好氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局及有關(guān)重大項目?jì)洹?/p>

3.2支持建設一批氫能應用場(chǎng)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、公共機構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、工業(yè)、建筑、公共機構等領(lǐng)域支持建設一批氫能應用場(chǎng)景，進(jìn)一步豐富氫能終端應用示范。

3.3開(kāi)展燃氣管道摻氫項目示范

新時(shí)代環(huán)境治理要求協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴綠、增長(cháng)。NOx是光化學(xué)反應生成近地面臭氧的重要大氣污染物，主要來(lái)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(kāi)展天然氣管道摻氫示范，將進(jìn)一步加快全市能源結構優(yōu)化調整，推動(dòng)節能、減污、降碳協(xié)同開(kāi)展?？稍诒本┏鞘懈敝行牡戎攸c(diǎn)區域的政府投資類(lèi)項目中試點(diǎn)開(kāi)展天然氣管道摻氫示范，帶動(dòng)穩步開(kāi)展天然氣替代工作。

四、結語(yǔ)

本文基于碳達峰碳中和宏觀(guān)政策背景及面板數據、有關(guān)研究成果和北京市經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展階段特征，分析研判了北京市碳達峰碳中和的時(shí)間節點(diǎn)和碳排放情況。通過(guò)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，設計了氫燃料電池汽車(chē)、天然氣管道摻氫、氫氣供熱、氫能供熱等可支撐北京市碳達峰碳中和目標實(shí)現的六個(gè)領(lǐng)域氫能應用場(chǎng)景，并提出了相應政策建議。本文研究成果可為碳達峰碳中和時(shí)間研判和氫能應用路徑研究提供參考。