“碳中和”背景下中國“氫礦”資源分析

黃宣旭*，練繼建，沈威

（1.盈德氣體集團(tuán)有限公司；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院）

0 引言

2020 年中國宣布了國家“碳中和”目標(biāo)：力爭2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”；到2030 年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005 年增加60×108m3，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12×108kW 以上。

為達(dá)成“碳中和”目標(biāo)，開發(fā)豐富的可再生能源資源是最可行的路徑。而把資源地直接輸出的氫能作為新的能源資源類型，即“氫礦”的管理模式，實(shí)現(xiàn)可再生能源就地轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存，并利用氫能應(yīng)對氣候變化的優(yōu)勢和作為戰(zhàn)略能源的潛力，推動(dòng)新的能源革命，有助于解決中國的能源結(jié)構(gòu)性問題，以應(yīng)對氣候變化和保障能源供應(yīng)安全。

1 “氫礦”與中國能源戰(zhàn)略選擇

本文對“氫礦”的定義：利用風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能源等可再生能源，直接在資源地制取“綠氫”，并將液氫外運(yùn)的氫能資源稱為“氫礦”。具有開發(fā)潛力的資源富集地區(qū)，可稱之為“氫田”。

通過可再生能源制氫所獲得的“綠氫”具有低碳、可儲(chǔ)存、可運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，是一種綠色的優(yōu)質(zhì)能源。在現(xiàn)有能源體系下，氫能是由其他能源形式轉(zhuǎn)化得到的二次能源。但隨著氫能技術(shù)，特別是水電、光伏、風(fēng)電制氫和液氫儲(chǔ)運(yùn)等新能源制氫及儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的發(fā)展，“綠氫”已經(jīng)具備了產(chǎn)業(yè)化條件。由此，為綜合評估中國的氫能資源，需要突破傳統(tǒng)思路，將資源地直接制取得到的氫能資源定義為一次能源，視同礦產(chǎn)資源進(jìn)行資源化管理。

自2012 年起，中國已經(jīng)成為全球最大的能源消費(fèi)國和最大的碳排放國。2019 年中國能源消費(fèi)總量48.6×108tce，煤炭占一次能源的57.64%［1］；2019年全球一次能源消費(fèi)總量達(dá)到583.90 EJ，同比增長1.3%，中國占全球能源消費(fèi)總量的24.3%［2］。2019年中國碳排放量約占全球碳排放總量的29%。2020年全球二氧化碳排放量為306×108t，中國碳排放量增加約1%［3］。作為全球性大國，由于供應(yīng)安全與氣候變化的矛盾，中國能源戰(zhàn)略正面臨挑戰(zhàn)。

1.1 中國的能源與氣候矛盾

將中國和全球主要經(jīng)濟(jì)體進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)中國的能源與氣候的結(jié)構(gòu)性問題。美國在頁巖油氣革命后，完成了能源自給，以相對低碳的天然氣和新能源替代，實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略平衡。歐洲以較高的能源價(jià)格，依靠豐富的可再生能源資源發(fā)展新能源和多渠道的能源供應(yīng)，確保能源戰(zhàn)略平衡。

2019 年中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭消費(fèi)量約為40×108t，石油消費(fèi)量約為6.5×108t，天然氣消費(fèi)量為3 067×108m3。全社會(huì)用電量7.2×1012kW·h。2019 年，中國能源凈進(jìn)口量達(dá)到約10×108tce，整體對外依存度21%，石油進(jìn)口依賴度接近70%。由于油氣嚴(yán)重依賴進(jìn)口，煤炭消費(fèi)又面臨供應(yīng)安全與氣候變化的矛盾，因此，通過發(fā)展清潔能源和持續(xù)的能源技術(shù)升級，進(jìn)一步降低煤炭的消費(fèi)比例，是實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略平衡的必由之路。但由于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，碳排放強(qiáng)度持續(xù)下降的同時(shí)，碳排放總量持續(xù)緩慢上升，“碳達(dá)峰”難度較大。

孫士昌等［4］認(rèn)為，資源儲(chǔ)量豐富且價(jià)格低廉是能源轉(zhuǎn)型發(fā)生的基礎(chǔ)條件，低碳與高能量密度能源是發(fā)展總體趨勢。對于中國正在經(jīng)歷的第三次能源轉(zhuǎn)型，技術(shù)進(jìn)步是根本驅(qū)動(dòng)力，而政策引導(dǎo)是關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，未來發(fā)展方向?qū)⑹悄茉垂?yīng)的清潔化與能源消費(fèi)的高效與智能化。

2014 年中國發(fā)布的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》，宣布以開源、節(jié)流、減排為重點(diǎn)，確保能源供應(yīng)安全，轉(zhuǎn)變能源發(fā)展方式，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新能源體制機(jī)制，著力提高能源效率，嚴(yán)格控制能源消費(fèi)過快增長，著力發(fā)展清潔能源，推進(jìn)能源綠色發(fā)展，著力推動(dòng)科技進(jìn)步。因此，正在進(jìn)行的以可再生能源為基礎(chǔ)的低碳能源革命，是中國實(shí)現(xiàn)“碳中和”的必然路徑。

1.2 可再生能源的需求與問題

中國政府承諾，到2030 年非化石能源占能源消費(fèi)總量的25%，其中大部分是可再生能源。根據(jù)《中國能源革命進(jìn)展報(bào)告（2020）》預(yù)計(jì)，中國能源消費(fèi)總量到2030 年不超過60×108tce［5］，這意味著非化石能源消費(fèi)為15×108tce，相當(dāng)于12.2×1012kW·h可再生能源發(fā)電，需要約50×108kW 的新增可再生能源裝機(jī)。黃維和等［6］認(rèn)為，“碳中和”背景下，構(gòu)建以可再生能源為主的能源體系已是大勢所趨，石油和天然氣作為傳統(tǒng)能源在低碳深度轉(zhuǎn)型要求下必須重新定位。薛華等［7］分析認(rèn)為：歐洲石油公司普遍對太陽能、風(fēng)能等可再生能源的前景更加看好，能源轉(zhuǎn)型會(huì)提前到來，因此積極在這些領(lǐng)域投資和布局；2018—2020 年，歐洲石油公司在新能源業(yè)務(wù)的支出占其總支出的5%～13%。但由于東西部地區(qū)的資源不平衡，中國新能源發(fā)展的電網(wǎng)消納和長距離送電問題，成為制約新能源快速發(fā)展的關(guān)鍵。

1.3 中國實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略再平衡的關(guān)鍵——“氫礦”

中國多煤、少氣、缺油的能源資源稟賦特性，導(dǎo)致中國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭比重高，這使得中國應(yīng)對氣候變化面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而加大力度發(fā)展以可再生能源為主的新能源，又將顯著推高能源價(jià)格，給政府財(cái)政帶來沉重負(fù)擔(dān)；大量依賴進(jìn)口石油和天然氣，則會(huì)嚴(yán)重威脅能源供應(yīng)安全。

國際氫能源委員會(huì)在2017 年發(fā)布的《氫能源市場發(fā)展藍(lán)圖》中，將低碳排放的可再生能源制氫定義為“綠氫”。氫能作為終極能源解決方案，將深刻影響中國能源應(yīng)用的前景。2019 年，中國氫能聯(lián)盟發(fā)布了《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》［8］，預(yù)計(jì)到2050 年，氫能將在中國終端能源體系中占比達(dá)到10%（約5×108tce，折合氫氣1.1×108t）。毛宗強(qiáng)等［9］分析認(rèn)為，中國67%的氫氣是通過煤氣化和天然氣制氫技術(shù)工業(yè)化生產(chǎn)，其余為焦?fàn)t煤氣、氯堿化工副產(chǎn)氫。

未來80%的氫將來源于可再生能源制氫。中國廣闊的西部荒漠擁有充沛的光照條件和風(fēng)資源，西南地區(qū)擁有較為豐富的水電資源，具備開展可再生能源制氫的資源條件。快速發(fā)展的光伏技術(shù)和產(chǎn)能，使得中國擁有低成本、規(guī)模化發(fā)展“綠氫”的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。因此，資源地制氫的“氫礦”模式作為一個(gè)綜合性的解決方案，將是中國減少溫室氣體排放、承擔(dān)大國責(zé)任，同時(shí)兼顧能源安全、減少石油依賴，應(yīng)對中國能源問題的鑰匙。中國能源戰(zhàn)略平衡示意圖如圖1 所示。

圖1 中國能源戰(zhàn)略平衡示意圖

2 “氫礦”資源開發(fā)工藝路線

利用可再生能源制氫，并進(jìn)行氫氣液化、儲(chǔ)運(yùn)和外送的“氫礦”資源開發(fā)工藝路線如圖2 所示。通過可再生能源發(fā)電（或直接制氫）、電解制氫、氫氣處理、儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)，將氫氣送至用戶。

圖2 “氫礦”開發(fā)與氫供應(yīng)鏈?zhǔn)疽鈭D

以光伏電解水制氫為例，利用光伏太陽能發(fā)電、電解制氫和氣體處理3 個(gè)工藝模塊，捕捉太陽能、制備可以外運(yùn)的高壓氫氣或液化氫氣。光伏發(fā)電制氫工藝路線如圖3 所示。

圖3 光伏發(fā)電制氫工藝路線圖

液氫具有與石油類似的特性，其能量密度高、可運(yùn)輸、可儲(chǔ)存、標(biāo)準(zhǔn)化，并且可以在終端直接利用。因此，液氫被認(rèn)為是最有潛力的“氫礦”產(chǎn)品之一，下文主要以液氫為產(chǎn)品估算“氫礦”儲(chǔ)量。

3 “氫礦”資源的“碳中和”價(jià)值

作為一次能源的“氫礦”將為中國的“碳中和”提供可靠路徑。與油氣田相比，“氫礦”“綠氫”有著低碳的特性。而氫氣作為能源化工原料，與二氧化碳反應(yīng)生產(chǎn)甲醇、甲酸等基礎(chǔ)化工原料，有明顯的“固碳效應(yīng)”，滿足CCUS（碳捕集、利用與封存）原則的碳減排要求。預(yù)計(jì)2030 年中國甲醇年消費(fèi)量約1×108t，大部分甲醇的碳在生命周期結(jié)束后被固定在產(chǎn)品中。因此，利用“氫礦”的開發(fā)，替代煤制氣等高排放的工藝，將“氫礦”中開發(fā)的“綠氫”，注入到煤化工、鋼鐵工業(yè)等大量排放二氧化碳的工業(yè)領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)“碳中和”，對中國傳統(tǒng)行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型和“碳中和”有著巨大的意義。

3.1 光伏“氫礦”的碳足跡測算

何后裕等［10］對光伏發(fā)電的碳排放量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)光伏組件在生產(chǎn)過程中碳排放量較大，采用冶金法冶煉太陽能級硅，燃煤冶煉硅材料貢獻(xiàn)了大部分的碳排放量，光伏組件運(yùn)輸過程中車輛燃油產(chǎn)生的碳排放量較小，僅占5.60%。光伏系統(tǒng)的能耗主要發(fā)生在光伏組件的生產(chǎn)和光伏電站的建造過程中。

根據(jù)收集的2016 年和2020 年光伏系統(tǒng)建造的主要工藝過程數(shù)據(jù)，折算得到每太陽能光伏電池的峰值總功率（kWp）的能耗見表1。

表1 光伏電池能耗測算

隨著166 mm 以上大尺寸硅片的批量應(yīng)用，50 nm切割線等技術(shù)的應(yīng)用，晶硅利用率進(jìn)一步提高，光伏電池效率超過20%，光伏電站的能耗從2016 年的1 465 kW·h/kWp 下降了約30%。國家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，2020 年中國光伏平均利用小時(shí)數(shù)為1 160 h，其中蒙西地區(qū)最高，為1 626 h。隨著技術(shù)進(jìn)步，光伏電站的碳足跡不斷下降。

光伏電站的25 年全壽命周期總碳排放可按下式進(jìn)行估算：

周祥等［11］的研究顯示，西部某光伏電站單晶光伏組件，以33°固定傾角方案，實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)為1 498 h。以此為例，計(jì)算25 年的總發(fā)電量下的碳足跡，發(fā)現(xiàn)最主要的碳足跡是光伏系統(tǒng)的制造所產(chǎn)生的碳排放，全壽命周期的碳排放量為 16.59 kgce/（MW·h），僅為網(wǎng)電700 kgce/（MW·h）碳排放量的2.3%。由此計(jì)算碳足跡，光伏電站水電解制氫，液化氫并運(yùn)輸1 000 km 的“氫礦”模式，終端接收到的每公斤液氫，其二氧化碳排放量為1.78 kg，較歐洲現(xiàn)有的“綠氫”標(biāo)準(zhǔn)4.37 kgCO2/kgH2排放更低。

3.2 氫的CCUS 效益

氫是能源化工最常用的原料，氫和二氧化碳可以直接合成為苯［12］。而在催化劑作用下，氫與一氧化碳或二氧化碳反應(yīng)生產(chǎn)的甲醇，是合成氣制甲醇，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為烯烴等的基礎(chǔ)化工原料，其化學(xué)方程式如下：

該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)放熱93.7 kJ/mol。在這個(gè)過程中，每3 mol 的氫氣和1 mol 的二氧化碳反應(yīng)，將二氧化碳固定在基礎(chǔ)化學(xué)品中，實(shí)現(xiàn)了7.33 kgCO2/kgH2的回收利用。

4 “氫礦”資源評估模型

“氫礦”資源量是基于風(fēng)能、太陽能、水能等可再生能源富集地區(qū)的可再生能源資源量。“氫礦”具有可持續(xù)和穩(wěn)定的特點(diǎn)，是可持續(xù)開發(fā)的低碳能源。但與傳統(tǒng)的煤炭、石油等資源相比，氫能源的富集度較低，開發(fā)成本較高，更依賴技術(shù)的革新和可再生能源的政策支持，因此，有必要建立“氫礦”資源特有的評估原則，為決策提供依據(jù)。

4.1 “氫礦”資源評估原則

本文提出“氫礦”資源評估方法，是參考SEC（美國證券委員會(huì)）油氣儲(chǔ)量評估準(zhǔn)則，以確定性原則評估中國“氫礦”資源條件和開發(fā)成本，分析資源稟賦和開發(fā)潛力，從礦產(chǎn)資源的視角，研究“氫礦”的儲(chǔ)量和開發(fā)價(jià)值。

SEC 采用了SPE-PRMS 分類體系中的“儲(chǔ)量”類別，而“次商業(yè)”類別和“資源”類別未被納入SEC 儲(chǔ)量體系。本文基于現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)，分析“氫礦”資源量的確定性，判斷可用于經(jīng)濟(jì)性評估的證實(shí)儲(chǔ)量。“氫礦”與油氣礦確定性原則下的儲(chǔ)量評估標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 “氫礦”與油氣礦確定性原則下的儲(chǔ)量評估標(biāo)準(zhǔn)

與油氣資源類似，液氫或氣氫是“氫礦”開發(fā)的產(chǎn)品。與油氣資源的儲(chǔ)量有限性不同的是，“氫礦”資源基于可再生能源，是可以持續(xù)開發(fā)的資源。“氫礦”資源的評估是基于規(guī)劃的資源、現(xiàn)有的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品，以及項(xiàng)目開發(fā)等為確定性原則下的資源開發(fā)潛力，即每平方千米、每年可制取的氫能質(zhì)量。

在現(xiàn)有技術(shù)和開發(fā)條件下，“氫礦”富集度低、開發(fā)成本高，是制約“氫礦”開發(fā)的現(xiàn)實(shí)問題。本文構(gòu)建“氫礦”資源模型，為中國“氫礦”資源的 利用和“氫田”遠(yuǎn)景規(guī)劃，提供參考依據(jù)。

4.2 “氫礦”資源儲(chǔ)量評估模型

首先，“氫礦”資源是一種可再生能源，資源量是年度可開發(fā)量；其次，“氫礦”資源可開發(fā)量由確定的可再生能源資源量和現(xiàn)有技術(shù)條件下的能源轉(zhuǎn)換效率兩個(gè)要素構(gòu)成。由此提出以下評估公式：

式（3）中：HPR（Hydrogen Proved Reserves）——“氫礦”證實(shí)儲(chǔ)量，在當(dāng)前技術(shù)條件下的可開發(fā)資源量，tH2/（km2·a）；H i——不同種類可再生能源（可兼容）制氫能力，tH2/（km2·a）；iG——單位面積的不同種類可再生能源量轉(zhuǎn)換為制氫能源的資源量，GJ/（km2·a）；i——可再生能源的種類；E iR（Exchange Rate）——現(xiàn)有技術(shù)條件下不同種類的能源轉(zhuǎn)換效率，%；HHV（High Hot Value）——?dú)錃飧呶粺嶂担ǔ?shù)），143 MJ/kg。

可再生能源資源量可以通過資源普查獲取，包括風(fēng)、光、水、潮汐等。能源轉(zhuǎn)換效率，則需要考慮包括制氫、液化和損耗后的凈效率，其計(jì)算公式如下：

式（4）中：1η——制氫效率，%；2η——液化效率，%；3η——?dú)錃鈸p耗后凈效率，%。

能源資源量受可再生能源年景影響略有波動(dòng)。與原油資源類似，隨著技術(shù)進(jìn)步，采收率提高、開采成本下降，確定性原則下的證實(shí)儲(chǔ)量會(huì)增加，從而影響到油田開采的經(jīng)濟(jì)性。參照表2 的確定性原則下儲(chǔ)量評估標(biāo)準(zhǔn)，“氫礦”也有著類似的性質(zhì)，能源資源轉(zhuǎn)換效率受技術(shù)進(jìn)步和工藝路線的發(fā)展，不斷逼近理論極限。

4.3 典型的西部地區(qū)“氫礦”資源算例

以西部風(fēng)光互補(bǔ)（光伏+風(fēng)電）制氫、液化后送出的開發(fā)工藝路線為例，估算“氫礦”資源通過光伏制氫、液氫運(yùn)輸，其開發(fā)體系的總效率和儲(chǔ)量。

4.3.1 可再生能源資源量

中國氣象局的統(tǒng)計(jì)顯示，中國一類地區(qū)全年輻射量在6 700～8 370 MJ/m2。根據(jù)國土資規(guī)〔2015〕11 號《光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地控制指標(biāo)》，在北緯35°，中國的光伏電站規(guī)劃用地面積約16.75×104m2/10 MW，發(fā)電小時(shí)數(shù)約1 500 h/a。由此分析，規(guī)劃用地標(biāo)準(zhǔn)下的太陽能資源轉(zhuǎn)化為電能后的資源量為0.323 GJ/（m2·a），約占實(shí)際輻射能量的5%。

中國風(fēng)能資源豐富區(qū)的100 m 高空，平均風(fēng)功率密度約為400～500 W/m2，在I 類風(fēng)資源地區(qū)或海上風(fēng)場，平面規(guī)劃面積約50～70 MW/km2，年利用小時(shí)數(shù)約為3 000 h。風(fēng)能資源轉(zhuǎn)化為電能后的資源量約為0.648 GJ/（m2·a）。

隨著光伏組件和電站系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，目前多晶硅電池光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率已經(jīng)接近20%，單晶硅光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率超過23%，晶硅和鈣鈦礦異質(zhì)結(jié)電池復(fù)合電池效率甚至超過了25%，實(shí)際用地已經(jīng)大幅度下降。

4.3.2 電解制氫系統(tǒng)效率

電解制氫現(xiàn)有技術(shù)主要是堿性水電解和質(zhì)子交換膜（PEM）純水電解制氫。目前堿性電解水制氫系統(tǒng)在中國已經(jīng)比較成熟，800 m3/h 規(guī)模堿性水電解制氫的電解槽能耗為4.6 kW·h/m3，綜合效率約為75%～80%。西門子 Silyzer 300 PEM 膜電解制氫系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到10 MW 功率級，產(chǎn)氫100～2 000 kg/h（多組），綜合效率75%，耗水量10 kg/kgH2。

4.3.3 氫液化系統(tǒng)

國外液化氫系統(tǒng)采用節(jié)流液化循環(huán)（預(yù)冷型Linde-Hampson 系統(tǒng)）、帶膨脹機(jī)液化循環(huán)（預(yù)冷型Claude 系統(tǒng)）和氦制冷液化循環(huán)3 種。由于氫氣的液化溫度為-253 ℃，并且需要進(jìn)行正仲氫轉(zhuǎn)化，因此氫氣的液化效率低、能耗高。據(jù)預(yù)測，到2025年，氫液化能耗將降低至12.5 kW·h/kg，能量效率約為76%［13］。

4.3.4 液氫儲(chǔ)運(yùn)

液氫在常壓下的密度為70.9 kg/m3，罐車的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度超過11%，車載液氫瓶的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度可達(dá)到6.67%。1 輛50 m3的罐車，自重約20 t，可以裝載3.5 t 的液氫；而同樣自重的20 MPa 高壓長管拖車，氫氣裝載量在0.3 t 左右。因此，在長距離運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性上，液氫具有絕對的優(yōu)勢。

4.3.5 “氫礦”資源量估算

采用風(fēng)光互補(bǔ)制氫并液化的開發(fā)路線，制氫效率為75%、液化效率為76%、氫氣損耗5%，根據(jù)式（4），其能源轉(zhuǎn)換效率為54.2%。根據(jù)式（3），可估算出西部典型“氫礦”可開發(fā)資源量為3 670 tH2/（km2·a），具體見表3。

表3 典型的西部地區(qū)“氫礦”資源量估算

5 中國“氫礦”資源儲(chǔ)量

“氫礦”的資源稟賦是可再生能源，特別是太陽能、風(fēng)能和水能資源。本文根據(jù)文獻(xiàn)公開的中國可再生能源的稟賦和開發(fā)潛力，評估中國“氫礦”資源儲(chǔ)量。

5.1 中國可再生能源開發(fā)現(xiàn)狀

到2030 年，中國非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12×108kW 以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019 年底，中國主要可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量79 488 kW，占全部電力裝機(jī)容量的39.5%［14］。

5.1.1 太陽能和風(fēng)能資源

根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心公布的《全國風(fēng)能資源評估成果（2014）》，中國風(fēng)能資源豐富，總量與美國接近。70 m 高度陸上風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量達(dá)到26×108kW；近海100 m 高度水深5～25 m 范圍內(nèi)的風(fēng)電資源技術(shù)開發(fā)量為1.9×108kW，25～50 m 范圍內(nèi)的技術(shù)開發(fā)量為3.2×108kW。合計(jì)技術(shù)可開發(fā)量約為31.1×108kW。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年中國陸地表面平均年總輻射量約為5 295.2 MJ/m2［15］。據(jù)《2018 年中國風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，每年到達(dá)中國陸地表面的太陽輻射總能量約為5.28×1016MJ，太陽輻射總功率約為1.68×109MW，約占全球陸地表面太陽能資源的6.8%，大約相當(dāng)于2010 年全國一次能源消費(fèi)總量（約9.74×1013MJ）的540 倍。參照國土資規(guī)〔2015〕11 號《光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地控制指標(biāo)》中的太陽能規(guī)劃用地要求，僅利用中西部太陽輻射豐富區(qū)域太陽能輻射功率的2%，中國可開發(fā)的太陽能發(fā)電資源為115×108kW，年發(fā)電量14.4×1012kW·h。隨著光伏效率的大幅度提高，技術(shù)可開發(fā)量還將不斷增加。

5.1.2 水電資源

目前，全球常規(guī)水電裝機(jī)容量約為10×108kW，年發(fā)電量約為4×1012kW·h，開發(fā)程度為26%（按發(fā)電量計(jì)算），其中，歐洲、北美洲水電開發(fā)程度分別達(dá)54%和39%，南美洲、亞洲和非洲水電開發(fā)程度分別為26%、20%和9%。發(fā)達(dá)國家水能資源開發(fā)程度總體較高，如，瑞士開發(fā)程度達(dá)到92%、法國為88%、意大利為86%、德國為74%、日本為73%、美國為 67%。中國水能資源可開發(fā)裝機(jī)容量約為6.87×108kW。截至2019 年底，中國水電裝機(jī)容量為3.261 1×108kW，在建5 400×104kW，水電開發(fā)程度約為55%，接近發(fā)達(dá)國家水平。

5.1.3 可再生能源分布的特點(diǎn)和問題

從資料統(tǒng)計(jì)分析，中國風(fēng)能、太陽能和水電資源的技術(shù)可開發(fā)量分別為31.1×108kW、115×108kW 和6.87×108kW，合計(jì)152.97×108kW。分布上看，中國的風(fēng)能資源絕大部分集中在內(nèi)陸三北地區(qū)和沿海近海區(qū)域，太陽能資源集中在西部地區(qū)，水能資源集中在四川、云南等西南地區(qū)。

另外，中國可作為能源利用的農(nóng)作物秸稈及農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、林業(yè)剩余物和能源作物等生物質(zhì)資源總量每年約4.6×108tce。

截至2020 年底，中國可再生能源的已開發(fā)量為9.34×108kW，剩余可開發(fā)資源量約 145.93×108kW，是各類電源裝機(jī)總量20×108kW 的7 倍。除了海上風(fēng)電，絕大部分資源都遠(yuǎn)離中東部負(fù)荷中心，資源呈現(xiàn)非常典型的西高東低的特點(diǎn)，與胡煥鏞線基本耦合。這就意味著大部分的可再生能源，需要全容量調(diào)峰和長距離輸送，或者制氫外送。

5.1.4 可再生能源制氫的潛力

根據(jù)對太陽能、風(fēng)能、水電剩余可開發(fā)量的測算（見表4），中國目前可利用可再生能源的潛力為145.93×108kW，可發(fā)電量26.253×1012kW·h/a，可制液氫3.635×108t/a，折合12.4×108t 原油當(dāng)量，或17.7×108tce。

表4 中國可再生能源制氫（“氫礦”）資源估算

按確定性原則資源評估測算，以太陽能為資源的“氫礦”，其單位面積儲(chǔ)量為1 220 tH2/（km2·a），需開發(fā)的荒漠面積約為19.2×104km2，僅占中國荒漠282×104km2總面積的7.3%。以風(fēng)能為資源的“氫礦”，其單位面積儲(chǔ)量為2 450 tH2/（km2·a），需開發(fā)3×104km2陸上風(fēng)電（可與光伏風(fēng)光互補(bǔ)，兼容開發(fā)）和5 000 km2的海上風(fēng)電，僅占中國300×104km2經(jīng)濟(jì)海域的0.17%。以上測算是基于現(xiàn)有的太陽能光伏、風(fēng)電等技術(shù)水平條件下的開發(fā)能力，隨著太陽能、風(fēng)能利用技術(shù)的提高，中國可用于制氫的可再生能源資源量還將進(jìn)一步增加，成為解決中國能源難題的重要支柱。

6 結(jié)論與建議

“碳中和”背景下，大規(guī)模“氫礦”資源的開發(fā)在技術(shù)上已具備可行性。根據(jù)“氫礦”資源的確定性儲(chǔ)量評估原則，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，中國可開發(fā)制氫的可再生能源總量約為26.253×1012kW·h/a，僅需開發(fā)不到10%的荒漠國土面積和約0.17%的經(jīng)濟(jì)海域，即可制液氫3.635×108t/a。以“氫礦”生產(chǎn)的“綠氫”作為化工原料與二氧化碳反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)7.33 kg 的固碳效應(yīng)，理論上可以利用約20×108t二氧化碳。因此，建議以一次能源的方式開發(fā)管理“氫礦”資源，將西部豐富的可再生能源制成液氫儲(chǔ)運(yùn)，是解決能源問題的有效手段和實(shí)現(xiàn)“碳中和”的可行路徑。