姜克雋等：零碳電力對中國工業部門布局影響分析
姜克雋1*，向翩翩2，賀晨旻3，馮升波1，劉昌義4，譚新4，陳莎2，代春艷5，鄧良辰1
（1．中國宏觀經濟研究院能源研究所；2．北京工業大學環境與生命學部；3. 北京大學環境科學與工程學院；4. 全球能源互聯網集團有限公司；5. 重慶工商大學長江上游研究中心）
本文發表在《全球能源互聯網》2021年第1期“能源氣候協同治理機制與路徑”專欄，歡迎點擊品讀。本文得到國家重點研發計劃、全球能源互聯網集團有限公司科技項目資助。
2020年9月中國在聯大會議上宣布，力爭在2060年前實現碳中和。對于工業中難以減排的行業，如鋼鐵、水泥、合成氨、乙烯、苯、甲醇等，為實現深度減排，氫基產業將是一個重要選項。綠氫的供應將會明顯影響這些產業采用氫工藝的成本，進而影響產業的區域布局。本研究認為未來中國主要基礎產業的布局將向可再生能源富集和低成本地區轉移，特別是光伏發電成本優勢地區。
2019年，歐盟提出了2050年實現溫室氣體中和的戰略路線圖。2020年6月，美國眾議院氣候危機特別委員會提出了2050年實現凈零排放的路線圖。2020年9月，中國宣布力爭在2060年前實現碳中和。
要實現碳中和，工業部門中一些難以減排的行業需要采用新的低碳或零碳生產工藝來實現減排。氫是大部分石油化工產品的組分和原料，且是很好的零碳還原劑，因此氫在未來工業深度減排中扮演重要角色。
目前，最具潛力的零碳制氫技術是利用可再生能源發電電解水制氫。據測算，當光伏發電成本下降到0.15元/kWh以下時，用電解水制氫來供應化工品生產，其成本可以和既有供氫技術競爭。預計2025年太陽能富集地區的光伏發電成本將使電解水制氫技術具備成本競爭力。本文以實現全球1.5 ℃溫升目標下排放路徑為場景，分析未來的低成本零碳電力發展對中國一些產業發展布局的影響。
首先利用IPAC-AIM/技術模型分析這些工業部門的技術發展趨勢和排放，得到實現1.5 ℃溫升目標下的排放路徑。再利用IPAC-AIM/省份模型進行31個省級行政區的行業布局研究，分析能夠提供綠氫（零碳電力制氫）作為原料和還原劑的可再生能源區域，以及行業利用CCS的潛力，納入交通運輸距離的成本，進行產品的市場競爭分析，得到2050年在實現1.5 ℃溫升目標下的中國主要行業的布局。
IPAC-AIM/技術模型對能源服務及其設備的現狀和未來發展進行詳細描述，對能源消費過程進行模擬。它主要計算未來各種情景下各終端能源部門的分品種能源需求量，進而計算出CO2和其他溫室氣體，以及大氣污染物相關氣體的排放量。
實現2050年碳中和，對中國的能源供應、鋼鐵、合成氨、乙烯、甲醇、甲苯等化工和石化業、交通業等影響巨大。對于高排放、難減排的鋼鐵和石化行業，主要采用低碳或零碳技術來實現減排，有潛力的零碳技術都是氫基的。
由于既有生產工藝也可以通過CCS技術實現近零排放，本研究在計算時考慮了既有工藝引入CCS的技術路線。即使未來CCS技術成本能降到200~400元/t，其使用還將受限于當地CO2存儲條件。
基于中國經濟發展、產業結構調整以及居民物質需求，使用IPAC模型對這些產品進行了實物量的投入產出分析，具體未來產量見表1。
氫基減排技術的商業化發展需要合理的成本，其中氫供應成本在氫基減排技術成本中占主導地位，進而決定了未來氫基產業的布局。研究中設定氫的生產和使用都在本地進行，氫供應成本主要取決于制氫成本，包括電解水制氫設備成本與電力成本。
因此，在碳中和目標下，鋼鐵和化工產業的布局將與低成本的零碳電力緊密關聯。經過IPAC-AIM模型分析，如果可再生能源電力的價格低于0.15元/kWh，氫基產業生產技術與既有生產工藝相比將有很大的競爭力。因而，本文的分析選擇0.15元/kWh作為標準評估未來零碳電力供應潛力和布局。考慮到核電發展地區的不確定性，水電的成本下降空間不足，同時水電的布局也和目前的產業布局不相匹配，風電成本下降潛力有限，光伏發電成為大規模制氫最具成本優勢和可能性的零碳電源。
中國太陽能資源地區性差異較大，總體上呈現高原、少雨干燥地區大，平原、多雨高濕地區小的特點。甘肅西部、內蒙古西部、青海北部、西藏中西部年水平面總輻照量超過1750 kWh/m2，太陽能資源最為豐富。IPAC模型組估算的中國2030年后典型地區低成本（低于0.15元/kWh）光伏開發潛力及對應的可制氫量。新疆、青海和甘肅等光伏資源豐富地區的可制氫量巨大。
? 表2 2030年典型地區低成本（低于0.15元/kWh）光伏裝機容量、發電量以及可制氫量（IPAC模型情景）
圖2—圖8給出了利用IPAC模型的計算結果，展示了中國主要氫基產業目前和2050年布局的變化情況。模型計算時考慮了產品成本、運輸成本等以及CCS技術，未考慮生物質制氫技術。
可以看出，這些基礎工業的布局出現了明顯的變化。在實現深度減排情景中，可以利用氫作為原料的產業明顯出現了轉向可再生能源富集地區的趨勢，而在沒有良好的可再生能源資源、同時又缺乏CCS應用基礎的地區，原有石油天然氣為基礎的產業就會出現明顯的萎縮。
碳中和目標會明顯影響未來一些產業的生產工藝。對于工業部門中難以減排的行業，如鋼鐵、水泥、合成氨、乙烯、苯、甲醇等，要實現深度減排，氫基產業將是一個重要選項。綠氫的供應將明顯影響這些產業采用氫工藝的成本，進而影響產業的區域布局。通過本研究可以看出，未來中國主要基礎產業的布局出現了明顯的變化，在考慮多種實現產業深度減排技術（如CCS）的情況下，不少產業都將轉向可再生能源富集和低成本地區，特別是光伏發電成本優勢地區，以實現本地光伏發電、制氫、產品制造的系列化。
歐盟、美國等都已經進行了氫基產業戰略部署，而中國尚處于討論中。為了不在新的技術和經濟發展中落后，需要在國家科技研發以及產業應用中盡快推進部署。工業產業的再布局會對國家經濟發展產生深遠的影響，為了引導近期投資方向，目前就應明晰與碳中和目標相一致的產業發展戰略，促進國家經濟高質量發展。
姜克雋，向翩翩，賀晨旻，等. 零碳電力對中國工業部門布局影響分析[J]．全球能源互聯網，2021，4(1)：5-11．
JIANG Kejun, XIANG Pianpian, HE Chenmin, et al. Impact analysis of zero carbon emission power generation on China’s industrial sector distribution[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2021, 4(1): 5-11(in Chinese).
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