氫能的主要來源是可再生能源和化石能源的轉化。我國的氫能主要通過化石能源轉化獲得，嚴格意義上我國氫能還不能被認為是清潔能源。氫能通過化石燃料轉化過程中會排放大量溫室氣體CO2，CO2排放的問題將嚴重制約氫能的發(fā)展。
碳捕集、利用與封存(CCUS)技術是一種大規(guī)模直接的CO2減排技術，被認為是未來應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的重要技術之一。CCUS技術是在碳捕獲與封存(CCS)技術基礎上發(fā)展起來的新技術，它把捕集到的CO2進行提純，繼而投入新的生產過程中，實現(xiàn)循環(huán)再利用，并產生一定的經濟效益。近些年在CCUS技術的發(fā)展和示范過程中，美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)都已經成為CCUS的堅定支持者，為CCUS的發(fā)展提供了技術和立法支持。目前我國對CCUS技術的發(fā)展還未形成具體的統(tǒng)一文件。根據我國的能源結構以及能源發(fā)展狀況，為了更好地推動我國CCUS技術的發(fā)展，需要把CCUS技術和氫能技術相結合，以促進共同發(fā)展。
本文將傳統(tǒng)化工能源重整獲得氫能和CCUS技術相耦合，從氫能發(fā)展政策和CCUS技術激勵政策角度進行對比提出了相關的建議。在典型區(qū)域計算并評估了氫能的CO2排放規(guī)模和CCUS技術減排潛力，另外還分析了氫能和CCUS技術協(xié)同發(fā)展下產能釋放規(guī)模及其對地方經濟和就業(yè)的拉動情況。在技術層面，對氫能和CCUS技術耦合的可行性進行分析并提出了耦合優(yōu)化建議。
1、氫能發(fā)展政策和CCUS激勵政策
1.1 氫能發(fā)展政策
從全球視野來看，世界各國都在投入大量資金，組織科研力量，制定發(fā)展規(guī)劃，積極推動氫能產業(yè)發(fā)展。美國、日本、韓國、歐洲等地區(qū)和國家出臺了相應的氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃。我國無論是從完成《巴黎協(xié)定》的承諾考慮，還是為了更好地發(fā)展國民經濟，提高人民生活水平，改變和調整我國能源結構，發(fā)展氫能產業(yè)都勢在必行。發(fā)展氫能對于推進我國能源革命和經濟低碳轉型都有重大意義，它既有利于應對全球氣候變化，也能夠滿足國內保障能源安全、發(fā)展低碳經濟的內在需求，具有多方面協(xié)同效應。
2019年以來，我國越來越重視氫能產業(yè)的發(fā)展，國家和地方紛紛出臺了一系列涉及氫能領域的發(fā)展政策。特別是2019年的政府工作報告，首次把氫能寫入其中，體現(xiàn)了國家對發(fā)展氫能的重視程度和決心。2019年內在國家層面發(fā)布的涉及氫能產業(yè)發(fā)展的主要政策見表1。
表1 2019年氫能產業(yè)相關政策
由表1可見，這些政策涉及氫能產業(yè)的上游制氫、中游儲氫、下游應用的整個產業(yè)鏈條的工作。有關氫能產業(yè)基礎設施建設的指導政策也在多個文件中提到，另外還有30多個省市出臺了地方關于推動氫能產業(yè)發(fā)展的指導政策。上述一系列中央和地方的氫能指導政策都體現(xiàn)了氫能產業(yè)發(fā)展的迫切性，從這些政策中可以看見氫能發(fā)展的動力以及前進的方向。這些氫能政策的發(fā)布也在一定程度上推動了氫能產業(yè)鏈的快速發(fā)展，相關補貼政策的支持也體現(xiàn)了國家和政府部門對氫能產業(yè)的重視。
1.2 CCUS激勵政策
氫能產業(yè)發(fā)展政策已經步入正規(guī)，并且正在大踏步前進，但是關于CCUS技術的政策還處于初期階段。2006年以來在國家層面發(fā)布的涉及CCUS技術的政策文件有20多項，但是專門針對CCUS技術的專項政策很少，而且缺乏具體的落實方案。2006年發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中提出了“開發(fā)高效、清潔和CO2近零排放的化石能源開發(fā)利用技術”，要求為CCUS技術的建設提供發(fā)展的契機。2007年國務院發(fā)布的《中國應對氣候變化國家方案》中指出，將發(fā)展CCUS技術作為CO2減排的重點領域，提出“大力開發(fā)煤液化以及煤氣化、煤化工等轉化技術、以煤氣化為基礎的多聯(lián)產系統(tǒng)技術、二氧化碳捕獲及利用、封存技術等”。
同年發(fā)布的《中國應對氣候變化科技專項行動》強調，加強對CCUS的技術研發(fā)，推動其技術示范，這為推動CCUS技術研發(fā)提供了政策保障。2011年《國家“十二五”科學和技術發(fā)展規(guī)劃》中將重點探索CO2捕集、利用與封存等方向的前沿技術寫入其中，體現(xiàn)了國家對CCUS技術發(fā)展的重視。這些指導性文件都涉及CCUS技術的發(fā)展，并在一定程度上規(guī)范著CCUS項目，但尚未建立起專門針對CCUS技術的法律法規(guī)。現(xiàn)階段國家仍以宏觀引導和鼓勵為主，加強技術儲備，政策文件主要以激勵政策為主，加強示范項目建設。2009年5月17號《中國CCUS發(fā)展路線圖(2019版)》及“國家能源集團公司CCUS技術路線及發(fā)展規(guī)劃”的發(fā)布，為CCUS技術的發(fā)展指明了道路。
1.3 政策對比分析
通過對氫能產業(yè)發(fā)展政策的解讀，首先對現(xiàn)階段發(fā)展CCUS技術面臨的問題進行詳細剖析，為CCUS技術的發(fā)展尋找前進的動力。其次在氫能產業(yè)技術指導政策的啟發(fā)下，尋找氫能與CCUS技術的直接聯(lián)系以降低生產成本。中央和地方出臺的一系列指導政策為氫能的發(fā)展指明了前進的方向和發(fā)展的動力，而這正是CCUS技術發(fā)展過程中遇到的問題，現(xiàn)階段發(fā)展CCUS的相關指導政策遲遲沒有發(fā)布的主要原因就是缺乏動力支持，一方面是人們對于環(huán)境危機意識認識的不足，人們對CCUS技術的認可度低，甚至有些人認為全球碳排放是一個循環(huán)過程，有排放就有吸收，現(xiàn)階段短暫的不平衡只是一段特殊的時期，經過一段時間的調節(jié)，碳排放就會回歸到正軌上去;另一方面相關技術發(fā)展還不成熟，還不能解決碳捕集、封存等的成本問題。從上述氫能產業(yè)的政策中可以探尋CCUS技術發(fā)展的動力，研究是否可以把氫能的補貼應用一部分到CCUS技術的發(fā)展中，氫能產業(yè)方面的政策指導對于CCUS技術發(fā)展的借鑒意義就是研究實現(xiàn)氫能和CO2減排相聯(lián)系的技術，加深氫能和CCUS技術的融合。通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，未來CCUS技術的發(fā)展道路還很漫長。
2、典型區(qū)域氫能和CCUS技術的源匯匹配
氫能產業(yè)的發(fā)展規(guī)模在逐漸擴大。從全國范圍來看，氫能產量在逐漸增加，2012—2018年全國氫能產量(圖1)表明，氫能產業(yè)發(fā)展趨勢良好。而且有關氫能的應用也在快速發(fā)展，特別是在燃料電車領域，正在經歷一波飛速發(fā)展的階段。目前，從中央到地方都出臺了一系列鼓勵新能源補貼政策，積極推動燃料電車的快速發(fā)展和普及。
圖1 2012—2018年全國氫能產量
在氫能產業(yè)基礎設施建設方面，表現(xiàn)比較突出的是加氫站的建設。自2008年我國在北京建立第1座車用加氫站以來，加氫站的建設經歷了一段低谷期，但2015年以后建設數量逐年增加，特別是在2019年就有30多個省市規(guī)劃在近幾年建設加氫站，具體情況如圖2所示。由圖2可見，截至2019年底全國累計建設加氫站61座。其中，廣東建成17座加氫站，位列全國第1;上海建成10座位列全國第2;江蘇和湖北均建成5座，并列第3。
圖2 2015—2019年全國加氫站數量及2020預計數量
下面以廣東省、上海市和山東省為典型區(qū)域介紹我國氫能產業(yè)發(fā)展情況以及CCUS技術在這幾個典型區(qū)域的部署情況和減排潛力，由于氫能產業(yè)整個鏈條、各個環(huán)節(jié)之間都有碳排放，并且差別極大，本文以上游制氫同時排放的CO2為主要研究對象，分析氫能產業(yè)與CCUS技術的源匯匹配情況。
上海市氫能產業(yè)發(fā)展迅速，優(yōu)勢明顯。作為國內主要的煉化基地之一，上海擁有充足的工業(yè)副產氫，氫能資源豐富。另外，作為國內發(fā)展氫燃料電池較早的城市，目前上海有23條氫燃料電池電堆產業(yè)鏈和11條氫燃料電池系統(tǒng)產業(yè)鏈。上海市在燃料汽車領域發(fā)展迅速，其氫能產業(yè)基礎設施的建設也處于國內發(fā)展前列。從近期和遠期來看，上海市氫能主要來源是工業(yè)副產氫和電解水制氫，近中期主要以工業(yè)副產氫為主，遠期以電解水制氫為主。據測算，上海市煉化企業(yè)每年工業(yè)副產氫約為1.2萬~1.7萬t。
根據制氫和排放CO2的關系，假設工業(yè)副產氫生產中每噸氫氣排放10t的CO2，則每年CO2排放量是12萬~17萬t，這是萬噸級CCUS項目一年的減排規(guī)模。如果用于CO2-EOR，就可以提高石油7%~15%的采收率，對地方經濟的增長具有重大影響。
山東省在發(fā)展氫能產業(yè)方面也有比較突出的優(yōu)勢，作為能源和化工大省，山東省具有大量低成本的工業(yè)副產氫。據初步測算，山東省全年的氫產量約260萬t，居全國首位。以前大量的工業(yè)副產氣被釋放，既污染大氣又浪費資源，通過發(fā)展氫能產業(yè)就可以實現(xiàn)廢物利用。根據這些氫氣的產量可以大致估計氫氣的伴生氣CO2的年排放量約為2600萬t。對于這些CO2，如果通過CCUS技術處理，百萬噸項目需要26個，十萬噸項目需要200個左右。通過地質封存處理這些CO2就可以極大地提高油田的石油采收率，根據相關數據建設百萬噸級的CCUS項目可以增加五六千個工作崗位，建設二三十個項目就可以解決幾萬人的就業(yè)問題。
以廣州為中心的珠三角地區(qū)也是一個氫能產業(yè)發(fā)展比較快的地區(qū)。廣東省擁有大量的化工能源企業(yè)以及氫氣加工處理企業(yè)，這些企業(yè)都可以為氫能產業(yè)提供豐富且清潔的氫氣資源。而且珠江口盆地作為我國重要的海底咸水層封存地區(qū)，在CCUS的地質封存中處于重要地位。根據《廣州市氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2019—2030年)》可知，全市制氫資源量約占全省的10%，年制氫能力超過10萬t，由此可以推算，廣東省年制氫能力超過100萬t。由《中國CCUS發(fā)展路線圖(2019)》可知，預計到2030年的技術發(fā)展規(guī)模，陸地咸水層可以實現(xiàn)多個100萬t項目示范，枯竭油田封存實現(xiàn)100t級示范，海底咸水層封存實現(xiàn)10萬~30萬t級工業(yè)示范。
根據我國氫能及燃料電池產業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟預測，截至2030年，可再生能源制氫將占據氫能產業(yè)的15%。如果為了節(jié)約成本只考慮當地就近封存處理，到2030年廣東省的“灰氫”預計將占據55%，“藍氫”占比為30%，“綠氫”占比為15%。從這些預期數據可以看出，預計到2030年，廣東省“灰氫”的占比將大幅度下降，與此同時“藍氫”和“綠氫”的占比將升高。“藍氫”占比的增加依賴CCUS技術的快速部署，CCUS的建設既增加了地方財政收入，又為當地提供了大量的就業(yè)機會。預計到2030年僅廣州市的氫能產值將達到2000億元以上，提供幾十萬個工作崗位。
通過對幾個典型區(qū)域氫氣產能和發(fā)展條件的分析，可以發(fā)現(xiàn)廣東省的石油煉化企業(yè)和氫氣銷售企業(yè)在氫能產業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，上海的氫能依托長三角地區(qū)的煉化企業(yè)有大量的工業(yè)副產氣，這些企業(yè)可以為上海提供源源不斷的氫能。山東省本地也有大量的氫氣供應，可以實現(xiàn)就近利用。廣東、上海、山東的氫能產業(yè)和CCUS的源匯匹配情況良好，兩者的協(xié)同發(fā)展既可以在不降低經濟發(fā)展速度的同時，提供較多的就業(yè)機會，也可以完成國家對各省市CO2減排的要求。目前氫氣來源大多是通過化石能源獲得，這個過程中CO2的排放問題一直制約著化石能源企業(yè)的發(fā)展，例如對于一些石化企業(yè)、煤炭企業(yè)以及化工企業(yè)的產能都有一定的限制，同時還嚴重影響地方經濟的增長。通過對這3個典型區(qū)域的氫能產業(yè)的分析，得出CCUS和傳統(tǒng)化石能源重整制氫技術的結合，可以促進經濟的低碳發(fā)展。
3、氫能和CCUS技術耦合可行性分析
3.1氫能產業(yè)CO2排放特征分析
氫能產業(yè)和CCUS技術可以在技術層面進行耦合，因為要想真正實現(xiàn)氫能的清潔，必須解決氫能產業(yè)發(fā)展過程中CO2排放的問題。根據氫能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃可以把氫能的發(fā)展過程分為3個階段，即初期階段、中期過渡階段以及最終階段。初期階段就是現(xiàn)階段，氫氣主要以“灰氫”為主，它的來源是通過化石能源轉化，例如煤炭、天然氣、焦爐煤氣、氯堿尾氣等。生產過程中會有大量的CO2排放，該階段的氫能還不能稱為清潔能源。中期過渡階段的氫氣稱為“藍氫”，這個階段是在初期階段的基礎上結合CCUS技術，實現(xiàn)碳中和，減少碳的排放，這個時期的氫能相對較為干凈，但還不是氫能理想的狀態(tài)。最終階段的氫氣稱為“綠氫”，氫氣的來源是通過可再生能源獲得，這個過程能實現(xiàn)完全的無碳化，100%綠色，是氫能發(fā)展的最終目標。從價格上來看，目前灰氫最便宜，藍氫略貴于灰氫，綠氫最貴。考慮到成本和環(huán)保的要求，現(xiàn)階段主要大力發(fā)展“藍氫”，即實現(xiàn)氫能產業(yè)和CCUS技術的協(xié)同發(fā)展。
目前工業(yè)上制氫的方式有電解水制氫、煤制氫、天然氣制氫、甲醇制氫、化工尾氣制氫等，其中工業(yè)尾氣制氫占45%，煤制氫占41%，天然氣制氫占10%，電解水制氫僅占4%，制氫方式主要還是以傳統(tǒng)能源的化學重整為主。預計到2050年，電解水制氫將達到64%，煤制氫與CCUS技術結合的制氫方式將達到21%，工業(yè)副產氫和天然氣重整制氫分別為8%和7%。這幾種制氫方式優(yōu)缺點比較見表2。
表2幾種制氫方式比較
下面以最主要的制氫方式工業(yè)副產氣進行詳細分析，工業(yè)副產氣主要包括焦爐煤氣、丙烷脫氫、氯堿工業(yè)的尾氣。2019年全國焦爐煤氣產量約為1906億m3(標準狀態(tài)下)，焦爐煤氣中氫氣體積分數約40%~50%，PSA氫氣吸收率92%。按照2019年焦爐煤氣產量估算，我國每年焦爐煤氣制氫約600萬t。根據相關產能估算，丙烷脫氫和氯堿工業(yè)的尾氣每年制氫分別為2.3萬t和106萬t，則工業(yè)副產氫年均760萬t。
根據氫氣和CO2排放量之間的關系，通過工業(yè)副產氣制氫的CO2年均排放量為7750萬t。這么多的CO2還只是其中一部分，如果把它們直接排放到大氣中會造成嚴重的氣候變化，但是通過與CCUS技術耦合就可以很好地解決CO2的問題，CCUS常規(guī)的利用包括地質應用(即CO2-EOR)、化工利用(燃料和化工品)、生物利用(食品、飼料等)。其中地質封存是主要的利用方式，我國封存CO2比較好的地區(qū)包括松遼盆地、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地、珠江口盆地、準噶爾-吐哈盆地等，在這些地區(qū)可以建設多個CCUS示范項目。根據《中國CCUS發(fā)展路線圖(2019)》，到2030年將建設多個百萬噸級項目，這些CCUS項目與氫能產業(yè)可以匹配，實現(xiàn)氫能和CCUS技術耦合。
4、結論
通過對氫能產業(yè)和CCUS技術在政策、源匯匹配、技術性評估以及協(xié)同效果4個方面的分析可得：
1)在政策方面，氫能產業(yè)發(fā)展前期經歷的鼓勵補貼政策可以借鑒到CCUS技術的建設中，另外氫能產業(yè)的基礎設施建設對CCUS的發(fā)展也有借鑒意義。
2)在典型區(qū)域的源匯匹配方面，廣東省、上海市、山東省這幾個典型區(qū)域有豐富的氫能來源，有條件大規(guī)模部署CCUS技術，而且整個制氫-CO2捕集-CO2應用的過程都可以一體化就近完成，既減少了碳排放，又提高了經濟效益和就業(yè)機會。
3)技術性評估，氫能產業(yè)的碳排放特征明顯，主要就是在制氫過程中大量CO2排放，這些排放的CO2通過CCUS技術收集，然后再通過一定的途徑利用這些CO2，從而產生一定的經濟效益。總體來看，氫能產業(yè)和CCUS技術耦合在保障氫能產業(yè)快速發(fā)展的同時，又促進了CCUS在我國的部署，兩者相輔相成共同發(fā)展。
