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摘 要：在探讨区域氢基能源供需体系的背景下，提出了一种基于领域划分的区域氢基能源需求预测方法，并以上海市为例，结合对相关企业的调研，详细分析了上海市工业、交通、电力、建筑领域的氢基能源需求，并给出了供给方案。研究结果表明：到2060 年，上海市工业领域氢、氨、甲醇的年需求量分别达到108 万t、299 万t、107 万t；交通领域氢、氨、甲醇的年需求量分别达到10 万t、66 万t、30 万t；电力领域氢、氨的年需求量分别达到2.12 万t、160 万t；建筑领域氢年需求量达1000 t。建议上海市优先布局海上风电氢基能源基地，以及辽宁辽西、蒙东赤峰、吉林松原等外部新能源基地，形成碳中和时期供给体系；蒙西阿拉善、四川川西新能源基地可作为后续布局；青海格尔木新能源基地则为备选方案。
关键词：新型能源体系；氢基能源；供需体系；需求分析
中图分类号：TK91 文献标志码：A
预估至2025 年，中国电力在终端能源消费中的占比应达到30%，而剩余的70% 仍依赖于非电能源( 比如：石油、天然气等) [1]。当前，电力生产高度依赖煤炭，火电排放引发了诸多环境问题[2]。同时，交通、工业及农业等非电领域，对化石燃料的需求量依然巨大，导致碳减排困难[3]。因此，中国各省、直辖市亟需构建多元、清洁、低碳、可持续的新型能源体系，加速能源行业的战略性整体转型。
新型能源体系具有能源结构新、系统形态新、产业体系新、治理体系新的“4 新”特征 [4]。构建一条符合国情、彰显中国特色的高质量发展能源路径，对于推动全球能源结构转型具有重要意义，将为全球能源体系的改革贡献出中国特色方案。而在这一过程中，建立新型能源体系是关键环节之一，其需依托新技术、新产业、新模式，推动低碳、零碳、负碳项目的规模化推广应用[5]。
上海市新型能源体系结构主要包含新型电力系统、新型油气系统和新型交通系统等，其示意图如图1 所示。其中，可再生能源制氢及其进一步合成的绿氨和绿甲醇等一系列氢基能源，既与电能一样，属于过程性能源，又与石油天然气一样属于含能体能源。因其独特的双重属性，可作为新型电力系统与新型油气系统互通的介质[6-7]。基于氢基能源构建的电- 氢- 电体系，将成为未来新型能源体系的关键部分。
在全国政策引导下，中国氢能产业发展总体呈现良好态势[8]。目前中国氢产量主要来自于煤制氢与工业副产氢，未来随着新型能源体系的建立，中国的绿氢需求将快速增长，以氢基能源为基础的新型能源体系将成为重要的技术发展路线之一[9-10]。为了对区域氢基能源的供需体系进行合理规划布局，有必要对区域氢基能源的需求进行有效预测。在此背景下，本文在对中国工业、交通、电力、建筑4 大领域的氢基能原需求进行分析的基础上，提出一种区域氢基能源需求预测方法；然后以上海市为例，深入剖析其在工业、交通、电力、建筑领域的氢基能源需求，并提出打造上海市全球氢基能源交易中心的设想，进一步分析并提出上海市氢基能源供给方案。
1、区域氢基能源需求分析方法
区域氢基能源需求分析方法是对当前中国在工业、交通、电力、建筑4 大领域下各细分产业的能源消耗量进行分析，结合该领域未来发展趋势及氢基能源渗透率对相应氢基能源需求量进行合理预测。
1.1 工业领域氢基能源需求
在工业领域，氢基能源需求主要集中在合成工业用氨、合成工业用甲醇、石油化工、冶金还原剂行业。
氨是多领域的关键原料，约70% 的氨被用于氮肥生产，其余则广泛用于化工、电子等行业[11]。随着农业施肥优化，化肥用氨需求量减少，但工业用氨需求量仍持续增长。未来，工业用氨需求量可能保持稳定，受碳约束影响，绿氢将逐渐替代灰氢成为合成氨的主要原料。 工业用甲醇是关键有机化工原料，广泛应用于多个工业领域。中国甲醇年产量约为8000 万t，目前多依赖化石原料制甲醇。绿氢合成工业用甲醇是化工脱碳的重要途径，未来其需求有望保持稳定。
石油炼制是氢气消费的重要领域，加氢裂化能够提升油品质量，氢需求量增速显著[12]。同时石油炼化加氢将逐步转向绿氢替代。
冶金还原剂行业是碳排放大户，碳减排难度大，其中钢铁冶炼的碳排放量最大[13]。传统高炉炼铁的碳排放量高，而绿氢可替代煤炭实现从源头降碳。
综上，工业领域氢基能源需求分析方法主要为综合统计合成工业用氨、工业用甲醇、石油化工、冶金还原剂行业的原料需求，并对未来工业减碳需求进行一定程度地预测。
1.2 交通领域氢基能源需求
交通领域氢基能源需求主要集中在公路运输、铁路及轨道交通、航空、航运行业，氢基能源是交通脱碳的关键。
在公路运输行业中，中国氢燃料电池车的发展为“先商后乘”，聚焦于客车、重型卡车和物流车，适合中长途及高载重的车辆。甲醇燃料清洁高效，可用于多种车辆 [14]。虽然陆上交通电动化加速推进，但长途重型卡车难以实现电气化。
在铁路及轨道交通行业中，目前氢动力火车在国际上尚处于研发和试验阶段；而在中国高铁高电气化率的背景下，氢动力火车的需求有限。因此，暂不考虑在铁路及轨道交通领域的氢基能源需求。
在航空行业中，绿色航空煤油源自非化石资源，减排效果显著，发展此燃料是实现航空业减碳的关键。国际上成熟的绿色航空煤油制备工艺包括加氢精制、费托合成法，中国清华大学在绿色航空煤油柔性合成领域取得了重要进展[15]。中国航空业的煤油年消费量大且增长迅速，预计未来需求将倍增。
在航运业中，中国航运燃油的消费量巨大。绿色甲醇发展潜力大，其便于储存，可低成本替代柴油，助力航运业减碳，多国视其为零碳燃料。2024 年4 月，中国首艘、世界最大的绿色甲醇加注船“海港致远”号为靠泊在上海洋山港冠东码头的“阿斯特丽德马士基”轮顺利完成首次“船- 船”同步加注作业。未来，绿色甲醇燃料的加注需求将迎来显著增长 [16]。
交通领域氢基能源需求分析方法是分析公路运输、航空、航运行业的燃料应用需求，并对未来绿色燃料需求进行一定程度地预测。
1.3 电力领域氢基能源需求
电力领域氢基能源需求主要集中在气电掺氢、煤电掺氨和燃料电池发电行业。
气电掺氢技术与燃气轮机的发展紧密相关。美国通用电气集团已成功运行含氢燃料机组，并计划在2030 年前实现燃气机组100% 烧氢，未来燃气轮机100% 掺氢技术具有可行性[17]。2022 年，国家电力投资集团荆门绿动公司的荆门燃机项目成功实现了重大技术革新。该项目对在运重型燃机进行了改造，使其能够掺入高达30% 等体积的氢气进行燃烧供其运行，这是中国首次在商业运营的重型燃机中实施了高比例的掺氢技术试验工作[18]。
未来，能源用氨需求将聚焦煤电掺氨领域[19]。煤电在中国电力系统的稳定安全运行中发挥着重要作用。随着碳约束的逐渐加强，煤电掺氨成为除碳捕集与封存外另一种重要的煤电脱碳技术。2023 年，国家能源集团在中国神华广东台山电厂600 MW 煤电机组上成功实施了在高负荷运行的工况下煤炭掺氨燃烧技术的试验验证，该发电机组容量居国内外同类试验之首。未来，煤电掺氨的比例将快速增长，以保障电力领域“双碳”目标的顺利完成。
燃料电池是将燃料的化学能转化为电能，其体积能量密度低，适用于分布式电源 [20]。2024年6 月，中国首个2 MW 级氢燃料电池热电联供示范项目在河南能源集团开元化工有限公司试运行成功。未来，中国燃料电池电站的分布式供电规模将逐步提高。
电力领域氢基能源需求的分析方法是评估气电掺氢、煤电掺氨、燃料电池发电等应用场景的掺混比例需求，并对未来新型电力系统的发展趋势进行预测。
1.4 建筑领域氢基能源需求
建筑领域氢基能源需求主要集中在供暖( 空间采暖)、供热( 生活热水) 和天然气管网掺氢行业[21]。
短期内，氢气可采用低体积比例掺入天然气，利用现有管网低成本输送。从长期来看，氢能将以燃料电池的形式参与建筑分布式供能。2023年，国家管网集团成功完成了国内首次掺氢天然气管道泄放喷射火试验及封闭空间泄漏燃爆试验，为构建自主可控的天然气长输管道掺氢输送技术体系奠定了坚实的理论与实验基础。此外，北京海得利兹新技术有限公司已在北京市大兴区、山东省聊城市的氢能示范区投产运行了若干高温膜燃料电池热电联供系统示范项目。
建筑领域氢基能源需求分析方法是评估建筑供热需求、天然气管网掺氢比例需求，并对未来绿色建筑的发展规模进行预测。
2、上海市氢基能源需求分析
根据上文介绍的区域氢基能源需求分析方法，以上海市为例，从其工业、交通、电力、建筑领域切入，对“双碳”目标下上海市氢基能源需求进行分析。由于本文所调研企业的氢基能源相关项目均在 2025 年或之后投产，因此后文数据分析始于2025 年。
2.1 上海市工业领域氢基能源需求
上海市化工领域主要有5 个企业，分别为：中国石化上海石油化工股份有限公司、中国石化上海高桥石油化工有限公司、上海华谊能源化工有限公司、上海氯碱化工股份有限公司谊集团、上海赛科石油化工有限责任公司，以及上海化学工业区工业气体有限公司。
结合对上述企业的产能及规划调研所得，对未来上海市工业领域氢基能源需求进行分析，可以得出：到2025 年，随着相关企业氢气供应及配套项目建成投产，氢年需求量约为62 万t，氨年需求量约为60 万t，甲醇年需求量约为77 万t；到2030 年，随着相关企业产线扩能及工艺优化，氢年需求量约为63 万t，氨年需求量约为83 万t，甲醇年需求量约为107 万t；到2060 年，相关企业对甲醇的中长期需求维持在上述水平，氢年需求量约为108 万t，氨年需求量约为299 万t，甲醇需求量约为107 万t。
上海市冶金领域主要以宝山钢铁股份有限公司( 仅包含其宝山基地，下文简称为“宝钢股份”) 为主，该公司采用长流程炼钢，核心设备包含4 座高炉( 铁水年产能为1558 万t) 和6 座转炉( 粗钢年产能为1650 万t)，且宝钢股份目前有5 座氢气站。结合对宝钢股份内部长期规划的调研所得，对上海市未来冶金领域氢基能源需求进行分析，可以得出：为满足硅钢绿色制造示范项目的建设需求，到2025 年，氢年需求量约为1 万t；到2030 年，氢年需求量约为1.1万t；未来，气基直接还原炼铁有望成为中国主要钢铁冶炼工艺流程之一，到2060 年，氢年需求量约为28.77 万t。
2.2 上海市交通领域氢基能源需求
目前，氢气在上海市交通领域主要用于公路运输。截至2023 年6 月，上海氢燃料电池车( 含重型卡车) 达2757 辆。现有18 座加氢站，其中11 座已合法运营，日供氢能力约为9700 kg。此外，甲醇在航运领域应用广泛，上海国际港务( 集团)股份有限公司及多家企业积极布局加注设施。2023 年，上海港与多家船公司合作推进绿色甲醇加注，并于2024 年4 月实现首次大型绿色甲醇双燃料动力集装箱船舶“船-船”同步加注作业。目前，中国航空煤油的年消费量约为 3500 万t，且航空运输量仍在飞速增长。据预测，2050 年前后航空领域的能源需求量增长将超过100%，约达7000 万t。上海航空旅客吞吐量约占全国航空旅客的7.7%，暂基于该比例估算上海航空煤油年消费量，绿色航空煤油中氢约占20%。
未来上海市公路运输行业氢基能源需求分析如下：根据国内外目前氢燃料电池车类型占比和百公里氢耗水平，预计到2025 年，公路运输氢燃料电池车的年需氢量约为3.8 万t；到2030 年，年需氢量约为5 万t；到2060 年，年需氢量约为10 万t。
未来上海市航运行业氢基能源需求分析如下：到2025 年，甲醇年需求量为2.3 万t；至2030 年，甲醇加注量占港口使用燃料的10%，甲醇年需求量约为30 万t；至2060 年，氨、氢作为燃料开始规模化应用，分别约占加注燃料的20%，则氢年需求量约为10 万t，氨年需求量约为66 万，甲醇年需求量约为30 万t。
未来上海市航空行业氢基能源需求分析如下：2025 年暂无需求；预计中国绿色航空煤油在2030 年左右实现商业化，市场份额约为10%，则绿氢年需求量约为5.39 万t；到2060 年，绿色航空煤油的市场份额逐步提升至50%，绿氢年需求量约为53.9 万t。
2.3 上海市电力领域氢基能源需求
目前，上海市的火电装机容量为2557.43万kW，为实现减碳目标，上海市将逐步推进氢、氨替代天然气、燃煤。上海电气集团股份有限公司在其大唐海口项目中，成功实现了对在役大F级重型燃气轮机进行7% 等体积掺氢技术的自主创新升级，并通过严格的示范验证过程，确保机组稳定运行。上海市大量自备火电厂正在论证低碳燃料改造相关技术路线。上海浦江特种气体有限公司拟建设2 MW 氢燃料电池系统，该项目已获上海市发展和改革委员会批复，年耗氢量约为267 t，中长期暂无其它计划项目。
对上海市气电掺氢、煤电掺氨、氢燃料电池需求进行分析，可以得出：
1) 2025 年暂无气电掺氢需求；随着示范项目试点应用，至2030 年，氢年需求量约为138 t；随着高比例掺氢技术的推进，至2060 年，氢年需求量约为2.12 万 t。
2) 2025 年暂无煤电掺氨需求；随着示范项目试点应用，至2030 年，氨年需求量约为23 t；随着高比例掺氨技术的推进，至2060 年，氨年需求量约为160 万 t。
3) 2025 年的燃料电池年用氢需求量约为267 t；至2030 年，年用氢量约为405 t；至2060年，年用氢量约为2 万 t。
2.4 上海市建筑领域氢基能源需求
目前，上海市暂无氢基能源在建筑领域的商业化应用。依据上海市发展规划设想，建筑领域氢基能源需求为：2025 年暂无；至2030 年，进行天然气管网掺氢与热电联供试点，年氢需求量约为20 t；至2060 年，随着技术进一步推广，年氢需求量约达1000 t。
2.5 小结
综上，通过对上海市工业、交通、电力、建筑领域氢基能源的供需求进行分析，得出上海市氢基能源需求统计图，如图2 所示。
3、上海市绿色氢基能源供给体系分析
假设上海市要打造全球绿色氢基能源交易中心，为了满足上海市本地和进出口对氢基能源的大量需求，在上海市土地资源紧缺的情况下，仅依靠陆上新能源发展已无法满足绿色氢基能源规划需求。因此，基于西北区域及上海市海上区域新能源发展潜力，对上海市氢基能源供给体系及其运输成本进行分析，并对绿色氢基能源大基地实施方案进行建议。
3.1 电力输送与货运对比分析
以复奉特高压直流输电工程为例，四川省可再生能源电力成本约为0.33 元/kWh，特高压输电加价约为0.12 元/kWh，输电末端成本约为0.45元/kWh。按氨( 醇) 制备约10000 kWh/t 对特高压输电加价进行换算，相当于输氨( 醇) 加价为1200 元/t。
经调研，类比大型液化天然气运输船，氨(醇)水路每千公里运输成本约为100 元/t；按2000 km考虑，则输氨( 醇) 加价为200 元/t。内蒙古—鲁北铁路段甲醇运费为290～400 元/t、陕西—鲁北铁路段甲醇运费为330～400 元/t、山西—鲁北铁路段甲醇运费为200～240 元/t，则氨( 醇) 铁路每千公里运输成本约为400 元/t；按2000 km考虑，则输氨( 醇) 加价为800 元/t；氨( 醇) 支线公路每百公里运输费用约30 元/t。
在外省( 市) 构建氢基能源基地的基础上，通过当地制取再货运氨( 醇) 的输送费用优于通过特高压电力输送至上海再制氢的输送费用。氢基能源管道规模化输送行业的技术及商业模式暂未成熟，上海市氢基能源外供当前展望主要以货运为主。
3.2 上海市绿色氢基能源基地实施方案选择
在上海市打造全球绿色氢基能源交易中心的设想下，综合中国新能源资源潜力，上海市可通过上海海上风电基地、辽宁辽西新能源基地、蒙东赤峰新能源基地、吉林松原新能源基地、蒙西阿拉善新能源基地、四川川西新能源基地、青海格尔木新能源基地来满足其氢基能源需求。
目前，氢的大规模存储运输技术尚未突破，液态氨、甲醇更方便储存和运输[22-23]。因此，暂时考虑上海绿氢需求依靠上海海上风电基地制氢供应，绿氨、甲醇需求依靠外部省份各新能源基地输送。各目标基地氢基能源输送路线及费用如表1 所示。
依据上述分析结果，建议上海市优先布局海上风电氢基能源基地，以及辽宁辽西、蒙东赤峰、吉林松原新能源基地，形成碳中和时期上海氢基能源供给体系；其次可布局蒙西阿拉善、四川川西新能源基地，进一步扩大上海氢基能源供给需求，满足碳达峰时期要求；青海格尔木新能源基地因运输距离较远，终端用价偏高，可作为备选方案。
4、结论
本文针对区域氢基能源供需体系，以上海市为典型案例，深入探索了基于领域划分的氢基能源需求预测方法，通过对特定行业发展现状及相关企业未来规划的精细化分析，得到了上海市在不同领域的氢基能源需求，并提出了供给方案。研究结果显示：上海市到2060 年，工业领域氢、氨、甲醇的年需求量分别达到108 万t、299 万t和107 万t；交通领域氢、氨、甲醇的年需求量分别达到10 万t、66 万t 和30 万t；电力领域氢、氨的年需求量分别达到2.12 万t 和160 万t；建筑领域氢需求量达到1000 t。供给方面，鉴于上海市土地资源紧张，建议优先布局海上风电氢基能源基地及辽宁辽西、蒙东赤峰、吉林松原等外部新能源基地，形成碳中和时期供给体系；蒙西阿拉善、四川川西新能源基地可作为后续布局；青海格尔木新能源基地则为备选方案。
通过优化技术、完善政策和加强基础设施建设，上海市有望在氢基能源领域实现突破，为全球能源转型提供经验。
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