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姜克隽等:零碳电力对中国工业部门布局影响分析

2021-1-27 08:48

来源:

零碳电力对中国工业部门布局影响分析

姜克隽1*,向翩翩2,贺晨旻3,冯升波1,刘昌义4,谭新4,陈莎2,代春艳5,邓良辰1 

(1.中国宏观经济研究院能源研究所;2.北京工业大学环境与生命学部;3. 北京大学环境科学与工程学院;4. 全球能源互联网集团有限公司;5. 重庆工商大学长江上游研究中心)


本文发表在《全球能源互联网》2021年第1期“能源气候协同治理机制与路径”专栏,欢迎点击品读。本文得到国家重点研发计划、全球能源互联网集团有限公司科技项目资助。

摘要

2020年9月中国在联大会议上宣布,力争在2060年前实现碳中和。对于工业中难以减排的行业,如钢铁、水泥、合成氨、乙烯、苯、甲醇等,为实现深度减排,氢基产业将是一个重要选项。绿氢的供应将会明显影响这些产业采用氢工艺的成本,进而影响产业的区域布局。本研究认为未来中国主要基础产业的布局将向可再生能源富集和低成本地区转移,特别是光伏发电成本优势地区。

背景

2019年,欧盟提出了2050年实现温室气体中和的战略路线图。2020年6月,美国众议院气候危机特别委员会提出了2050年实现净零排放的路线图。2020年9月,中国宣布力争在2060年前实现碳中和。

要实现碳中和,工业部门中一些难以减排的行业需要采用新的低碳或零碳生产工艺来实现减排。氢是大部分石油化工产品的组分和原料,且是很好的零碳还原剂,因此氢在未来工业深度减排中扮演重要角色。

目前,最具潜力的零碳制氢技术是利用可再生能源发电电解水制氢。据测算,当光伏发电成本下降到0.15元/kWh以下时,用电解水制氢来供应化工品生产,其成本可以和既有供氢技术竞争。预计2025年太阳能富集地区的光伏发电成本将使电解水制氢技术具备成本竞争力。本文以实现全球1.5 ℃温升目标下排放路径为场景,分析未来的低成本零碳电力发展对中国一些产业发展布局的影响。

研究方法

研究框架

首先利用IPAC-AIM/技术模型分析这些工业部门的技术发展趋势和排放,得到实现1.5 ℃温升目标下的排放路径。再利用IPAC-AIM/省份模型进行31个省级行政区的行业布局研究,分析能够提供绿氢(零碳电力制氢)作为原料和还原剂的可再生能源区域,以及行业利用CCS的潜力,纳入交通运输距离的成本,进行产品的市场竞争分析,得到2050年在实现1.5 ℃温升目标下的中国主要行业的布局。

计算模型

IPAC-AIM/技术模型对能源服务及其设备的现状和未来发展进行详细描述,对能源消费过程进行模拟。它主要计算未来各种情景下各终端能源部门的分品种能源需求量,进而计算出CO2和其他温室气体,以及大气污染物相关气体的排放量。

⬆ 图1  IPAC-AIM/技术模型框架

零碳电力与钢铁和石化行业脱碳的关联

氢基产业分析

实现2050年碳中和,对中国的能源供应、钢铁、合成氨、乙烯、甲醇、甲苯等化工和石化业、交通业等影响巨大。对于高排放、难减排的钢铁和石化行业,主要采用低碳或零碳技术来实现减排,有潜力的零碳技术都是氢基的。

由于既有生产工艺也可以通过CCS技术实现近零排放,本研究在计算时考虑了既有工艺引入CCS的技术路线。即使未来CCS技术成本能降到200~400元/t,其使用还将受限于当地CO2存储条件。

基于中国经济发展、产业结构调整以及居民物质需求,使用IPAC模型对这些产品进行了实物量的投入产出分析,具体未来产量见表1。

表1 中国主要氢基产业产品产量情景

零碳电力成本分析

氢基减排技术的商业化发展需要合理的成本,其中氢供应成本在氢基减排技术成本中占主导地位,进而决定了未来氢基产业的布局。研究中设定氢的生产和使用都在本地进行,氢供应成本主要取决于制氢成本,包括电解水制氢设备成本与电力成本。

因此,在碳中和目标下,钢铁和化工产业的布局将与低成本的零碳电力紧密关联。经过IPAC-AIM模型分析,如果可再生能源电力的价格低于0.15元/kWh,氢基产业生产技术与既有生产工艺相比将有很大的竞争力。因而,本文的分析选择0.15元/kWh作为标准评估未来零碳电力供应潜力和布局。考虑到核电发展地区的不确定性,水电的成本下降空间不足,同时水电的布局也和目前的产业布局不相匹配,风电成本下降潜力有限,光伏发电成为大规模制氢最具成本优势和可能性的零碳电源。

低成本光伏发电的地域分布和制氢潜力

中国太阳能资源地区性差异较大,总体上呈现高原、少雨干燥地区大,平原、多雨高湿地区小的特点。甘肃西部、内蒙古西部、青海北部、西藏中西部年水平面总辐照量超过1750 kWh/m2,太阳能资源最为丰富。IPAC模型组估算的中国2030年后典型地区低成本(低于0.15元/kWh)光伏开发潜力及对应的可制氢量。新疆、青海和甘肃等光伏资源丰富地区的可氢量巨大。

表2  2030年典型地区低成本(低于0.15元/kWh)光伏装机容量、发电量以及可制氢量(IPAC模型情景)

零碳电力对经济工业部门布局影响的分析

图2—图8给出了利用IPAC模型的计算结果,展示了中国主要氢基产业目前和2050年布局的变化情况。模型计算时考虑了产品成本、运输成本等以及CCS技术,未考虑生物质制氢技术。

可以看出,这些基础工业的布局出现了明显的变化。在实现深度减排情景中,可以利用氢作为原料的产业明显出现了转向可再生能源富集地区的趋势,而在没有良好的可再生能源资源、同时又缺乏CCS应用基础的地区,原有石油天然气为基础的产业就会出现明显的萎缩。

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⬆ 图2  粗钢生产分省布局

⬆ 图3  乙烯生产分省布局

⬆ 图4 合成氨生产分省布局

⬆ 图5 甲醇生产分省布局

⬆ 图6 苯生产分省布局

⬆ 图7  对二甲苯(PX) 生产分省布局

⬆ 图8  氢生产分省布局

结论

碳中和目标会明显影响未来一些产业的生产工艺。对于工业部门中难以减排的行业,如钢铁、水泥、合成氨、乙烯、苯、甲醇等,要实现深度减排,氢基产业将是一个重要选项。绿氢的供应将明显影响这些产业采用氢工艺的成本,进而影响产业的区域布局。通过本研究可以看出,未来中国主要基础产业的布局出现了明显的变化,在考虑多种实现产业深度减排技术(如CCS)的情况下,不少产业都将转向可再生能源富集和低成本地区,特别是光伏发电成本优势地区,以实现本地光伏发电、制氢、产品制造的系列化。

欧盟、美国等都已经进行了氢基产业战略部署,而中国尚处于讨论中。为了不在新的技术和经济发展中落后,需要在国家科技研发以及产业应用中尽快推进部署。工业产业的再布局会对国家经济发展产生深远的影响,为了引导近期投资方向,目前就应明晰与碳中和目标相一致的产业发展战略,促进国家经济高质量发展。

本文引文信息

姜克隽,向翩翩,贺晨旻,等. 零碳电力对中国工业部门布局影响分析[J].全球能源互联网,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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