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展。
碳捕集、利用與封存(CCUS)技術是一種大規模直接的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，實現循環再利用，并產生一定的經濟效益。近些年在CCUS技術的發展和示范過程中，美國、日本、歐盟等國家和地區都已經成為CCUS的堅定支持者，為CCUS的發展提供了技術和立法支持。目前我國對CCUS技術的發展還未形成具體的統一文件。根據我國的能源結構以及能源發展狀況，為了更好地推動我國CCUS技術的發展，需要把CCUS技術和氫能技術相結合，以促進共同發展。
本文將傳統化工能源重整獲得氫能和CCUS技術相耦合，從氫能發展政策和CCUS技術激勵政策角度進行對比提出了相關的建議。在典型區域計算并評估了氫能的CO2排放規模和CCUS技術減排潛力，另外還分析了氫能和CCUS技術協同發展下產能釋放規模及其對地方經濟和就業的拉動情況。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化建議。
1、氫能發展政策和CCUS激勵政策
1.1 氫能發展政策
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，制定發展規劃，積極推動氫能產業發展。美國、日本、韓國、歐洲等地區和國家出臺了相應的氫能產業發展規劃。我國無論是從完成《巴黎協定》的承諾考慮，還是為了更好地發展國民經濟，提高人民生活水平，改變和調整我國能源結構，發展氫能產業都勢在必行。發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、發展低碳經濟的內在需求，具有多方面協同效應。
2019年以來，我國越來越重視氫能產業的發展，國家和地方紛紛出臺了一系列涉及氫能領域的發展政策。特別是2019年的政府工作報告，首次把氫能寫入其中，體現了國家對發展氫能的重視程度和決心。2019年內在國家層面發布的涉及氫能產業發展的主要政策見表1。
表1 2019年氫能產業相關政策
由表1可見，這些政策涉及氫能產業的上游制氫、中游儲氫、下游應用的整個產業鏈條的工作。有關氫能產業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發展的指導政策。上述一系列中央和地方的氫能指導政策都體現了氫能產業發展的迫切性，從這些政策中可以看見氫能發展的動力以及前進的方向。這些氫能政策的發布也在一定程度上推動了氫能產業鏈的快速發展，相關補貼政策的支持也體現了國家和政府部門對氫能產業的重視。
1.2 CCUS激勵政策
氫能產業發展政策已經步入正規，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年發布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》中提出了“開發高效、清潔和CO2近零排放的化石能源開發利用技術”，要求為CCUS技術的建設提供發展的契機。2007年國務院發布的《中國應對氣候變化國家方案》中指出，將發展CCUS技術作為CO2減排的重點領域，提出“大力開發煤液化以及煤氣化、煤化工等轉化技術、以煤氣化為基礎的多聯產系統技術、二氧化碳捕獲及利用、封存技術等”。
同年發布的《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，推動其技術示范，這為推動CCUS技術研發提供了政策保障。2011年《國家“十二五”科學和技術發展規劃》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，體現了國家對CCUS技術發展的重視。這些指導性文件都涉及CCUS技術的發展，并在一定程度上規范著CCUS項目，但尚未建立起專門針對CCUS技術的法律法規。現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發展路線圖(2019版)》及“國家能源集團公司CCUS技術路線及發展規劃”的發布，為CCUS技術的發展指明了道路。
1.3 政策對比分析
通過對氫能產業發展政策的解讀，首先對現階段發展CCUS技術面臨的問題進行詳細剖析，為CCUS技術的發展尋找前進的動力。其次在氫能產業技術指導政策的啟發下，尋找氫能與CCUS技術的直接聯系以降低生產成本。中央和地方出臺的一系列指導政策為氫能的發展指明了前進的方向和發展的動力，而這正是CCUS技術發展過程中遇到的問題，現階段發展CCUS的相關指導政策遲遲沒有發布的主要原因就是缺乏動力支持，一方面是人們對于環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過程，有排放就有吸收，現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，碳排放就會回歸到正軌上去;另一方面相關技術發展還不成熟，還不能解決碳捕集、封存等的成本問題。從上述氫能產業的政策中可以探尋CCUS技術發展的動力，研究是否可以把氫能的補貼應用一部分到CCUS技術的發展中，氫能產業方面的政策指導對于CCUS技術發展的借鑒意義就是研究實現氫能和CO2減排相聯系的技術，加深氫能和CCUS技術的融合。通過以上分析可以發現，未來CCUS技術的發展道路還很漫長。
2、典型區域氫能和CCUS技術的源匯匹配
氫能產業的發展規模在逐漸擴大。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，氫能產業發展趨勢良好。而且有關氫能的應用也在快速發展，特別是在燃料電車領域，正在經歷一波飛速發展的階段。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展和普及。
圖1 2012—2018年全國氫能產量
在氫能產業基礎設施建設方面，表現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域介紹我國氫能產業發展情況以及CCUS技術在這幾個典型區域的部署情況和減排潛力，由于氫能產業整個鏈條、各個環節之間都有碳排放，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，分析氫能產業與CCUS技術的源匯匹配情況。
上海市氫能產業發展迅速，優勢明顯。作為國內主要的煉化基地之一，上海擁有充足的工業副產氫，氫能資源豐富。另外，作為國內發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鏈和11條氫燃料電池系統產業鏈。上海市在燃料汽車領域發展迅速，其氫能產業基礎設施的建設也處于國內發展前列。從近期和遠期來看，上海市氫能主要來源是工業副產氫和電解水制氫，近中期主要以工業副產氫為主，遠期以電解水制氫為主。據測算，上海市煉化企業每年工業副產氫約為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。
山東省在發展氫能產業方面也有比較突出的優勢，作為能源和化工大省，山東省具有大量低成本的工業副產氫。據初步測算，山東省全年的氫產量約260萬t，居全國首位。以前大量的工業副產氣被釋放，既污染大氣又浪費資源，通過發展氫能產業就可以實現廢物利用。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問題。
以廣州為中心的珠三角地區也是一個氫能產業發展比較快的地區。廣東省擁有大量的化工能源企業以及氫氣加工處理企業，這些企業都可以為氫能產業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，在CCUS的地質封存中處于重要地位。根據《廣州市氫能產業發展規劃(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發展路線圖(2019)》可知，預計到2030年的技術發展規模，陸地咸水層可以實現多個100萬t項目示范，枯竭油田封存實現100t級示范，海底咸水層封存實現10萬~30萬t級工業示范。
根據我國氫能及燃料電池產業創新戰略聯盟預測，截至2030年，可再生能源制氫將占據氫能產業的15%。如果為了節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。
通過對幾個典型區域氫氣產能和發展條件的分析，可以發現廣東省的石油煉化企業和氫氣銷售企業在氫能產業發展中發揮著舉足輕重的作用，上海的氫能依托長三角地區的煉化企業有大量的工業副產氣，這些企業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，可以實現就近利用。廣東、上海、山東的氫能產業和CCUS的源匯匹配情況良好，兩者的協同發展既可以在不降低經濟發展速度的同時，提供較多的就業機會，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的發展，例如對于一些石化企業、煤炭企業以及化工企業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個典型區域的氫能產業的分析，得出CCUS和傳統化石能源重整制氫技術的結合，可以促進經濟的低碳發展。
3、氫能和CCUS技術耦合可行性分析
3.1氫能產業CO2排放特征分析
氫能產業和CCUS技術可以在技術層面進行耦合，因為要想真正實現氫能的清潔，必須解決氫能產業發展過程中CO2排放的問題。根據氫能產業發展規劃可以把氫能的發展過程分為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。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，這個過程能實現完全的無碳化，100%綠色，是氫能發展的最終目標。從價格上來看，目前灰氫最便宜，藍氫略貴于灰氫，綠氫最貴。考慮到成本和環保的要求，現階段主要大力發展“藍氫”，即實現氫能產業和CCUS技術的協同發展。
目前工業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副產氣進行詳細分析，工業副產氣主要包括焦爐煤氣、丙烷脫氫、氯堿工業的尾氣。2019年全國焦爐煤氣產量約為1906億m3(標準狀態下)，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的尾氣每年制氫分別為2.3萬t和106萬t，則工業副產氫年均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，在這些地區可以建設多個CCUS示范項目。根據《中國CCUS發展路線圖(2019)》，到2030年將建設多個百萬噸級項目，這些CCUS項目與氫能產業可以匹配，實現氫能和CCUS技術耦合。
4、結論
通過對氫能產業和CCUS技術在政策、源匯匹配、技術性評估以及協同效果4個方面的分析可得：
1)在政策方面，氫能產業發展前期經歷的鼓勵補貼政策可以借鑒到CCUS技術的建設中，另外氫能產業的基礎設施建設對CCUS的發展也有借鑒意義。
2)在典型區域的源匯匹配方面，廣東省、上海市、山東省這幾個典型區域有豐富的氫能來源，有條件大規模部署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機會。
3)技術性評估，氫能產業的碳排放特征明顯，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，氫能產業和CCUS技術耦合在保障氫能產業快速發展的同時，又促進了CCUS在我國的部署，兩者相輔相成共同發展。
