以上海市為例的區域氫基能源供需體系分析方法

摘　要：在探討區域氫基能源供需體系的背景下，提出了一種基于領域劃分的區域氫基能源需求預測方法，并以上海市為例，結合對相關企業的調研，詳細分析了上海市工業、交通、電力、建筑領域的氫基能源需求，并給出了供給方案。

研究結果表明：到2060 年，上海市工業領域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到108 萬t、299 萬t、107 萬t；交通領域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到10 萬t、66 萬t、30 萬t；電力領域氫、氨的年需求量分別達到2.12 萬t、160 萬t；建筑領域氫年需求量達1000 t。

建議上海市優先布局海上風電氫基能源基地，以及遼寧遼西、蒙東赤峰、吉林松原等外部新能源基地，形成碳中和時期供給體系；蒙西阿拉善、四川川西新能源基地可作為后續布局；青海格爾木新能源基地則為備選方案。

關鍵詞：新型能源體系；氫基能源；供需體系；需求分析

中圖分類號：TK91　文獻標志碼：A　　

預估至2025 年，中國電力在終端能源消費中的占比應達到30%，而剩余的70% 仍依賴于非電能源( 比如：石油、天然氣等) [1]。當前，電力生產高度依賴煤炭，火電排放引發了諸多環境問題[2]。

同時，交通、工業及農業等非電領域，對化石燃料的需求量依然巨大，導致碳減排困難[3]。因此，中國各省、直轄市亟需構建多元、清潔、低碳、可持續的新型能源體系，加速能源行業的戰略性整體轉型。　　

新型能源體系具有能源結構新、系統形態新、產業體系新、治理體系新的“4 新”特征 [4]。構建一條符合國情、彰顯中國特色的高質量發展能源路徑，對于推動全球能源結構轉型具有重要意義，將為全球能源體系的改革貢獻出中國特色方案。

而在這一過程中，建立新型能源體系是關鍵環節之一，其需依托新技術、新產業、新模式，推動低碳、零碳、負碳項目的規模化推廣應用[5]。　　

上海市新型能源體系結構主要包含新型電力系統、新型油氣系統和新型交通系統等，其示意圖如圖1 所示。

其中，可再生能源制氫及其進一步合成的綠氨和綠甲醇等一系列氫基能源，既與電能一樣，屬于過程性能源，又與石油天然氣一樣屬于含能體能源。因其獨特的雙重屬性，可作為新型電力系統與新型油氣系統互通的介質[6-7]。基于氫基能源構建的電- 氫- 電體系，將成為未來新型能源體系的關鍵部分。

在全國政策引導下，中國氫能產業發展總體呈現良好態勢[8]。目前中國氫產量主要來自于煤制氫與工業副產氫，未來隨著新型能源體系的建立，中國的綠氫需求將快速增長，以氫基能源為基礎的新型能源體系將成為重要的技術發展路線之一[9-10]。

為了對區域氫基能源的供需體系進行合理規劃布局，有必要對區域氫基能源的需求進行有效預測。在此背景下，本文在對中國工業、交通、電力、建筑4 大領域的氫基能原需求進行分析的基礎上，提出一種區域氫基能源需求預測方法；然后以上海市為例，深入剖析其在工業、交通、電力、建筑領域的氫基能源需求，并提出打造上海市全球氫基能源交易中心的設想，進一步分析并提出上海市氫基能源供給方案。

區域氫基能源需求分析方法

區域氫基能源需求分析方法是對當前中國在工業、交通、電力、建筑4 大領域下各細分產業的能源消耗量進行分析，結合該領域未來發展趨勢及氫基能源滲透率對相應氫基能源需求量進行合理預測。

1.1 工業領域氫基能源需求

在工業領域，氫基能源需求主要集中在合成工業用氨、合成工業用甲醇、石油化工、冶金還原劑行業。　　

氨是多領域的關鍵原料，約70% 的氨被用于氮肥生產，其余則廣泛用于化工、電子等行業[11]。隨著農業施肥優化，化肥用氨需求量減少，但工業用氨需求量仍持續增長。未來，工業用氨需求量可能保持穩定，受碳約束影響，綠氫將逐漸替代灰氫成為合成氨的主要原料。　　工業用甲醇是關鍵有機化工原料，廣泛應用于多個工業領域。中國甲醇年產量約為8000 萬t，目前多依賴化石原料制甲醇。綠氫合成工業用甲醇是化工脫碳的重要途徑，未來其需求有望保持穩定。　　

石油煉制是氫氣消費的重要領域，加氫裂化能夠提升油品質量，氫需求量增速顯著[12]。同時石油煉化加氫將逐步轉向綠氫替代。　　

冶金還原劑行業是碳排放大戶，碳減排難度大，其中鋼鐵冶煉的碳排放量最大[13]。傳統高爐煉鐵的碳排放量高，而綠氫可替代煤炭實現從源頭降碳。

綜上，工業領域氫基能源需求分析方法主要為綜合統計合成工業用氨、工業用甲醇、石油化工、冶金還原劑行業的原料需求，并對未來工業減碳需求進行一定程度地預測。

1.2 交通領域氫基能源需求

交通領域氫基能源需求主要集中在公路運輸、鐵路及軌道交通、航空、航運行業，氫基能源是交通脫碳的關鍵。　　

在公路運輸行業中，中國氫燃料電池車的發展為“先商后乘”，聚焦于客車、重型卡車和物流車，適合中長途及高載重的車輛。甲醇燃料清潔高效，可用于多種車輛 [14]。雖然陸上交通電動化加速推進，但長途重型卡車難以實現電氣化。　　

在鐵路及軌道交通行業中，目前氫動力火車在國際上尚處于研發和試驗階段；而在中國高鐵高電氣化率的背景下，氫動力火車的需求有限。因此，暫不考慮在鐵路及軌道交通領域的氫基能源需求。　　

在航空行業中，綠色航空煤油源自非化石資源，減排效果顯著，發展此燃料是實現航空業減碳的關鍵。國際上成熟的綠色航空煤油制備工藝包括加氫精制、費托合成法，中國清華大學在綠色航空煤油柔性合成領域取得了重要進展[15]。中國航空業的煤油年消費量大且增長迅速，預計未來需求將倍增。　　

在航運業中，中國航運燃油的消費量巨大。綠色甲醇發展潛力大，其便于儲存，可低成本替代柴油，助力航運業減碳，多國視其為零碳燃料。2024 年4 月，中國首艘、世界最大的綠色甲醇加注船“海港致遠”號為靠泊在上海洋山港冠東碼頭的“阿斯特麗德馬士基”輪順利完成首次“船- 船”同步加注作業。未來，綠色甲醇燃料的加注需求將迎來顯著增長 [16]。

交通領域氫基能源需求分析方法是分析公路運輸、航空、航運行業的燃料應用需求，并對未來綠色燃料需求進行一定程度地預測。

1.3 電力領域氫基能源需求

電力領域氫基能源需求主要集中在氣電摻氫、煤電摻氨和燃料電池發電行業。　　

氣電摻氫技術與燃氣輪機的發展緊密相關。美國通用電氣集團已成功運行含氫燃料機組，并計劃在2030 年前實現燃氣機組100% 燒氫，未來燃氣輪機100% 摻氫技術具有可行性[17]。2022 年，國家電力投資集團荊門綠動公司的荊門燃機項目成功實現了重大技術革新。該項目對在運重型燃機進行了改造，使其能夠摻入高達30% 等體積的氫氣進行燃燒供其運行，這是中國首次在商業運營的重型燃機中實施了高比例的摻氫技術試驗工作[18]。　　

未來，能源用氨需求將聚焦煤電摻氨領域[19]。煤電在中國電力系統的穩定安全運行中發揮著重要作用。隨著碳約束的逐漸加強，煤電摻氨成為除碳捕集與封存外另一種重要的煤電脫碳技術。2023 年，國家能源集團在中國神華廣東臺山電廠600 MW 煤電機組上成功實施了在高負荷運行的工況下煤炭摻氨燃燒技術的試驗驗證，該發電機組容量居國內外同類試驗之首。未來，煤電摻氨的比例將快速增長，以保障電力領域“雙碳”目標的順利完成。　　

燃料電池是將燃料的化學能轉化為電能，其體積能量密度低，適用于分布式電源 [20]。2024年6 月，中國首個2 MW 級氫燃料電池熱電聯供示范項目在河南能源集團開元化工有限公司試運行成功。未來，中國燃料電池電站的分布式供電規模將逐步提高。　　

電力領域氫基能源需求的分析方法是評估氣電摻氫、煤電摻氨、燃料電池發電等應用場景的摻混比例需求，并對未來新型電力系統的發展趨勢進行預測。

1.4 建筑領域氫基能源需求

建筑領域氫基能源需求主要集中在供暖( 空間采暖)、供熱( 生活熱水) 和天然氣管網摻氫行業[21]。　　

短期內，氫氣可采用低體積比例摻入天然氣，利用現有管網低成本輸送。從長期來看，氫能將以燃料電池的形式參與建筑分布式供能。2023年，國家管網集團成功完成了國內首次摻氫天然氣管道泄放噴射火試驗及封閉空間泄漏燃爆試驗，為構建自主可控的天然氣長輸管道摻氫輸送技術體系奠定了堅實的理論與實驗基礎。此外，北京海得利茲新技術有限公司已在北京市大興區、山東省聊城市的氫能示范區投產運行了若干高溫膜燃料電池熱電聯供系統示范項目。　　

建筑領域氫基能源需求分析方法是評估建筑供熱需求、天然氣管網摻氫比例需求，并對未來綠色建筑的發展規模進行預測。

上海市氫基能源需求分析

根據上文介紹的區域氫基能源需求分析方法，以上海市為例，從其工業、交通、電力、建筑領域切入，對“雙碳”目標下上海市氫基能源需求進行分析。由于本文所調研企業的氫基能源相關項目均在 2025 年或之后投產，因此后文數據分析始于2025 年。

2.1 上海市工業領域氫基能源需求

上海市化工領域主要有5 個企業，分別為：中國石化上海石油化工股份有限公司、中國石化上海高橋石油化工有限公司、上海華誼能源化工有限公司、上海氯堿化工股份有限公司誼集團、上海賽科石油化工有限責任公司，以及上海化學工業區工業氣體有限公司。　　

結合對上述企業的產能及規劃調研所得，對未來上海市工業領域氫基能源需求進行分析，可以得出：到2025 年，隨著相關企業氫氣供應及配套項目建成投產，氫年需求量約為62 萬t，氨年需求量約為60 萬t，甲醇年需求量約為77 萬t；到2030 年，隨著相關企業產線擴能及工藝優化，氫年需求量約為63 萬t，氨年需求量約為83 萬t，甲醇年需求量約為107 萬t；到2060 年，相關企業對甲醇的中長期需求維持在上述水平，氫年需求量約為108 萬t，氨年需求量約為299 萬t，甲醇需求量約為107 萬t。　　

上海市冶金領域主要以寶山鋼鐵股份有限公司( 僅包含其寶山基地，下文簡稱為“寶鋼股份”) 為主，該公司采用長流程煉鋼，核心設備包含4 座高爐( 鐵水年產能為1558 萬t) 和6 座轉爐( 粗鋼年產能為1650 萬t)，且寶鋼股份目前有5 座氫氣站。結合對寶鋼股份內部長期規劃的調研所得，對上海市未來冶金領域氫基能源需求進行分析，可以得出：為滿足硅鋼綠色制造示范項目的建設需求，到2025 年，氫年需求量約為1 萬t；到2030 年，氫年需求量約為1.1萬t；未來，氣基直接還原煉鐵有望成為中國主要鋼鐵冶煉工藝流程之一，到2060 年，氫年需求量約為28.77 萬t。

2.2 上海市交通領域氫基能源需求

目前，氫氣在上海市交通領域主要用于公路運輸。截至2023 年6 月，上海氫燃料電池車( 含重型卡車) 達2757 輛。現有18 座加氫站，其中11 座已合法運營，日供氫能力約為9700 kg。此外，甲醇在航運領域應用廣泛，上海國際港務( 集團)股份有限公司及多家企業積極布局加注設施。2023 年，上海港與多家船公司合作推進綠色甲醇加注，并于2024 年4 月實現首次大型綠色甲醇雙燃料動力集裝箱船舶“船-船”同步加注作業。目前，中國航空煤油的年消費量約為 3500 萬t，且航空運輸量仍在飛速增長。據預測，2050 年前后航空領域的能源需求量增長將超過100%，約達7000 萬t。上海航空旅客吞吐量約占全國航空旅客的7.7%，暫基于該比例估算上海航空煤油年消費量，綠色航空煤油中氫約占20%。

未來上海市公路運輸行業氫基能源需求分析如下：根據國內外目前氫燃料電池車類型占比和百公里氫耗水平，預計到2025 年，公路運輸氫燃料電池車的年需氫量約為3.8 萬t；到2030 年，年需氫量約為5 萬t；到2060 年，年需氫量約為10 萬t。　　

未來上海市航運行業氫基能源需求分析如下：到2025 年，甲醇年需求量為2.3 萬t；至2030 年，甲醇加注量占港口使用燃料的10%，甲醇年需求量約為30 萬t；至2060 年，氨、氫作為燃料開始規模化應用，分別約占加注燃料的20%，則氫年需求量約為10 萬t，氨年需求量約為66 萬，甲醇年需求量約為30 萬t。　　

未來上海市航空行業氫基能源需求分析如下：2025 年暫無需求；預計中國綠色航空煤油在2030 年左右實現商業化，市場份額約為10%，則綠氫年需求量約為5.39 萬t；到2060 年，綠色航空煤油的市場份額逐步提升至50%，綠氫年需求量約為53.9 萬t。

2.3 上海市電力領域氫基能源需求

目前，上海市的火電裝機容量為2557.43萬kW，為實現減碳目標，上海市將逐步推進氫、氨替代天然氣、燃煤。上海電氣集團股份有限公司在其大唐海口項目中，成功實現了對在役大F級重型燃氣輪機進行7% 等體積摻氫技術的自主創新升級，并通過嚴格的示范驗證過程，確保機組穩定運行。上海市大量自備火電廠正在論證低碳燃料改造相關技術路線。上海浦江特種氣體有限公司擬建設2 MW 氫燃料電池系統，該項目已獲上海市發展和改革委員會批復，年耗氫量約為267 t，中長期暫無其它計劃項目。　　

對上海市氣電摻氫、煤電摻氨、氫燃料電池需求進行分析，可以得出：

1) 2025 年暫無氣電摻氫需求；隨著示范項目試點應用，至2030 年，氫年需求量約為138 t；隨著高比例摻氫技術的推進，至2060 年，氫年需求量約為2.12 萬 t。

2) 2025 年暫無煤電摻氨需求；隨著示范項目試點應用，至2030 年，氨年需求量約為23 t；隨著高比例摻氨技術的推進，至2060 年，氨年需求量約為160 萬 t。

3) 2025 年的燃料電池年用氫需求量約為267 t；至2030 年，年用氫量約為405 t；至2060年，年用氫量約為2 萬 t。

2.4 上海市建筑領域氫基能源需求

目前，上海市暫無氫基能源在建筑領域的商業化應用。依據上海市發展規劃設想，建筑領域氫基能源需求為：2025 年暫無；至2030 年，進行天然氣管網摻氫與熱電聯供試點，年氫需求量約為20 t；至2060 年，隨著技術進一步推廣，年氫需求量約達1000 t。

2.5 小結

綜上，通過對上海市工業、交通、電力、建筑領域氫基能源的供需求進行分析，得出上海市氫基能源需求統計圖，如圖2 所示。

上海市綠色氫基能源供給體系分析

假設上海市要打造全球綠色氫基能源交易中心，為了滿足上海市本地和進出口對氫基能源的大量需求，在上海市土地資源緊缺的情況下，僅依靠陸上新能源發展已無法滿足綠色氫基能源規劃需求。因此，基于西北區域及上海市海上區域新能源發展潛力，對上海市氫基能源供給體系及其運輸成本進行分析，并對綠色氫基能源大基地實施方案進行建議。

3.1 電力輸送與貨運對比分析

以復奉特高壓直流輸電工程為例，四川省可再生能源電力成本約為0.33 元/kWh，特高壓輸電加價約為0.12 元/kWh，輸電末端成本約為0.45元/kWh。按氨( 醇) 制備約10000 kWh/t 對特高壓輸電加價進行換算，相當于輸氨( 醇) 加價為1200 元/t。　　

經調研，類比大型液化天然氣運輸船，氨(醇)水路每千公里運輸成本約為100 元/t；按2000 km考慮，則輸氨( 醇) 加價為200 元/t。內蒙古—魯北鐵路段甲醇運費為290～400 元/t、陜西—魯北鐵路段甲醇運費為330～400 元/t、山西—魯北鐵路段甲醇運費為200～240 元/t，則氨( 醇) 鐵路每千公里運輸成本約為400 元/t；按2000 km考慮，則輸氨( 醇) 加價為800 元/t；氨( 醇) 支線公路每百公里運輸費用約30 元/t。　　

在外省( 市) 構建氫基能源基地的基礎上，通過當地制取再貨運氨( 醇) 的輸送費用優于通過特高壓電力輸送至上海再制氫的輸送費用。氫基能源管道規模化輸送行業的技術及商業模式暫未成熟，上海市氫基能源外供當前展望主要以貨運為主。

3.2 上海市綠色氫基能源基地實施方案選擇

在上海市打造全球綠色氫基能源交易中心的設想下，綜合中國新能源資源潛力，上海市可通過上海海上風電基地、遼寧遼西新能源基地、蒙東赤峰新能源基地、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、青海格爾木新能源基地來滿足其氫基能源需求。　　

目前，氫的大規模存儲運輸技術尚未突破，液態氨、甲醇更方便儲存和運輸[22-23]。因此，暫時考慮上海綠氫需求依靠上海海上風電基地制氫供應，綠氨、甲醇需求依靠外部省份各新能源基地輸送。各目標基地氫基能源輸送路線及費用如表1 所示。

依據上述分析結果，建議上海市優先布局海上風電氫基能源基地，以及遼寧遼西、蒙東赤峰、吉林松原新能源基地，形成碳中和時期上海氫基能源供給體系；其次可布局蒙西阿拉善、四川川西新能源基地，進一步擴大上海氫基能源供給需求，滿足碳達峰時期要求；青海格爾木新能源基地因運輸距離較遠，終端用價偏高，可作為備選方案。

結論

本文針對區域氫基能源供需體系，以上海市為典型案例，深入探索了基于領域劃分的氫基能源需求預測方法，通過對特定行業發展現狀及相關企業未來規劃的精細化分析，得到了上海市在不同領域的氫基能源需求，并提出了供給方案。研究結果顯示：上海市到2060 年，工業領域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到108 萬t、299 萬t和107 萬t；交通領域氫、氨、甲醇的年需求量分別達到10 萬t、66 萬t 和30 萬t；電力領域氫、氨的年需求量分別達到2.12 萬t 和160 萬t；建筑領域氫需求量達到1000 t。供給方面，鑒于上海市土地資源緊張，建議優先布局海上風電氫基能源基地及遼寧遼西、蒙東赤峰、吉林松原等外部新能源基地，形成碳中和時期供給體系；蒙西阿拉善、四川川西新能源基地可作為后續布局；青海格爾木新能源基地則為備選方案。　　

通過優化技術、完善政策和加強基礎設施建設，上海市有望在氫基能源領域實現突破，為全球能源轉型提供經驗。