基于碳達峰碳中和宏觀政策背景,分析研判了北京市碳達峰碳中和時間節點。結合氫能關鍵技術發展趨勢，對北京市碳達峰、碳中和年度的氫能應用場景進行了分析，研究設計了基于氫燃料電池、氫能分布式發電、氫燃氣輪機、氫能航空技術等核心技術的燃油機動車輛替代、燃氣發電替代、天然氣摻氫供熱、居民用氫燃料電池等六大領域應用場景，提出了制定氫能中長期戰略規劃等政策建議。研究結果顯示，氫能在北京市碳達峰年份的碳減排貢獻度約為0.2%，在碳中和年份的碳減排貢獻度約為10.29%，氫能將成為北京市產業及能源體系的重要組成部分。
氫能是一種可增強能源系統柔性的二次能源，具有零排放、高能量密度、來源廣泛、可實現長距離錯峰能源調配、蘊含高產業附加值等典型特征，在全球應對氣候變暖、世界經濟衰退風險上升、能源供給形勢復雜多變的大背景下，已經被多個國家和地區規劃定位為未來戰略產業及重要能源品種。我國于2022年發布了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035)》，明確了氫的能源屬性，確定氫能是我國戰略性新興產業重點方向，并將成為我國未來能源體系的組成部分，推動加快落實國家碳達峰碳中和戰略。研究分析氫能在未來能源體系中的結構特征，設計其在經濟社會運行中的應用場景，進一步明確氫能發展路徑，正在成為研究熱點。本文結合北京市產業及能源發展特征、能源消費結構調整趨勢以及經濟發展階段等基本情況，對北京市碳達峰碳中和節點進行了研判，基于有關結論對氫能未來應用場景進行了設計，量化分析了氫能對全市碳達峰碳中和的減碳成效。本文研究成果可為氫能應用、碳達峰碳中和實現路徑等提供理論參考。
一、碳達峰碳中和目標分析
1.1碳達峰目標分析
按照世界碳達峰城市的主要規律分析，北京市能源利用效率持續保持省級最優水平、人均GDP達到2.8萬美元(規律為2萬美元)、人口總數于2016年顯示達峰并趨于穩定、城市化率達到87.5%(規律為75%)、三產比重達到81.7%(規律為65%)、以前所未有的生態環境治理力度被聯合國評價為“北京奇跡”(碳達峰城市環境質量要求高)，北京市已具備城市碳達峰發展特征。2010-2021年度北京市碳排放數據顯示，2012年度碳排放呈現出1.595億t的峰值，近年為波動下降趨勢。北京市能源發展規劃規定，到2025年二氧化碳排放總量率先達峰后穩中有降。根據以上分析，本文預設北京市碳達峰年份為2025年，碳排放峰值為1.595億t。
1.2碳中和目標分析
北京市人均GDP連續多年保持在發達經濟體水平，第三產業占比達81.7%，化石能源消費結構優于英國、美國、歐盟等發達國家和地區4.2～18.6個百分點(如表1所示)，近年可再生能源利用量年均增幅達9.4%，碳排放強度達到2.52tCO2/萬美元(接近OECD國家水平)，具備在全國率先實現碳中和的經濟社會發展及產業能源結構基礎條件。
北京城市總體規劃(2035)提出，能源消費總量到2035年力爭控制在9000萬噸標準煤左右，可再生能源占能源消費總量比重達到20%。2022年，北京市碳達峰實施方案對部分能源類目標進行了強化調整，規定2030年北京市可再生能源結構占比將比2025年增加10.6%。基于此，以可再生能源結構占比年均增幅2.12%進行初步匡算，考慮碳中和期(全市碳達峰后發布碳中和政策)政策強化效應因子,以中國工程院《中國碳達峰碳中和戰略及路徑》可再生能源占比達80%可實現碳中和的基準條件進行測算，可以測算北京市碳中和期。本文政策強化效應因子取2021年北京市發布《北京市進一步強化節能實施方案》強化政策期(供暖季)各領域強化減碳率的低位值1.6%。根據測算北京市2052年可再生能源結構占比可達81.2%，達到碳中和。碳中和期碳排放總量約為3399.2萬t。
參照中國工程院《中國碳達峰碳中和戰略及路徑》中2035年實現化石能源達峰的研究結論，本文預設北京市2035年實現能源消費總量達峰，峰值取城市總體規劃目標值9000萬tce。
二、氫能對于北京市雙碳目標貢獻度分析
2.1氫能對于北京市的重要意義
發展氫能及相關產業對北京市有重要意義。氫能可再生、能量密度高(氫為143MJ/kg,汽油蒸汽為44MJ/kg)、來源廣泛，可以作為能源直接應用于生產生活，也可以作為儲能介質以氣、液、固態長期儲存，實現跨行業跨地區調配，具備成為戰略能源的屬性。北京市作為能源資源高度依靠外部的超大型城市,“十三五”以來外調能源比例保持在90.6%以上，發展氫能可以提升北京市能源應急儲備能力，完善能源應急保障體系，增強能源系統韌性，為未來能源體系安全提供支撐。氫能是清潔高效的二次能源，應用場景豐富，能促進可再生能源的消納和整合，是實現能源轉型與碳中和的重要組成部分。氫能產業科技含量高、覆蓋范圍廣、產業鏈條長，涵蓋制取—儲運—加注—能量轉換—終端應用，涉及能源、化工、交通等多行業多環節，社會經濟效益明顯，是國家戰略性新興產業的重點方向，更是構建綠色低碳產業體系，打造產業轉型升級的新增長點。
2.2氫能對于碳達峰目標的貢獻度
北京市正式出臺《氫能產業發展實施方案(2021-2025)》，規劃了2025年(碳達峰目標年份)氫能應用場景及用氫量，主要包括約1萬輛氫燃料電池汽車，經測算，氫能消耗量為37844.4t(183581.1tce);規劃分布式發電裝機，年用氫量約3600t(17463.4tce)。燃料電池汽車主要替代能源品種為成品油，分布式發電應用領域主要替代能源品種為電力。初步分析，2025年氫能替代成品油及電力的碳減排量為31.7595萬t,約為峰值碳排放的0.2%。
2.3氫能對于碳中和目標的貢獻度
日本、歐盟等國家和地區在氫能供熱、供電相關技術及產品的研究、示范與產業化推廣工作起步較早，家用氫燃料電池等技術已進入商業化推廣階段，其技術方向可以作為借鑒。分析認為居民生活、供熱、道路交通、建筑業、航空業、燃氣發電等六大領域將成為北京市碳中和期氫能主要應用場景。
2.3.1居民生活應用場景分析
日本于2005年啟動家用燃料電池熱電聯供計劃，目前已進入到商業化應用階段，計劃于2030年，推廣至全國20%家庭。我國也于2021年啟動了“氫進萬家”科技示范工程。鑒于該技術在國內起步較晚，保守預設2052年，北京市達到20%家庭應用氫能源的替代目標。統計數據顯示，2019年家庭用天然氣399.7萬m3.則可替代79.94萬m3天然氣，折合1240.4tce，實現減碳1935.01t。
2.3.2供熱應用場景分析
天然氣摻氫燃燒技術是未來供熱等領域低碳化的重要方向,研究認為現有燃氣管道摻加20%以內體積比例的氫，不會降低管道安全性和燃氣使用性能。據此可預設2052年，北京市天然氣管網摻氫20%的替代目標。統計數據顯示，2019年，北京市供熱領域天然氣消耗為47.5億m3.則氫能在2052年供熱領域可實現11.85億m3天然氣替代，折合196.71萬tce，實現減碳306.86萬t。
2.3.3道路交通應用場景分析
氫燃料電池汽車是燃油車替代的重要技術方向。氫燃料電池汽車在重型貨運、長途客車、出租車等駕駛距離長、載荷重的道路交通領域具有較大優勢，且在北京冬奧會等已有應用示范。智庫機構預測，交通領域氫能用量可達終端用能的30%，本文預設道路交通領域氫能替代率為30%(低于終端用能總量的30%)。統計數據顯示，2019年，北京市道路交通領域油品消耗為363.97萬tce，則氫能在2052年道路交通領域可實現136.24萬tce的燃油替代，實現減碳235.7萬t。
2.3.4建筑業應用場景分析
建筑業工程機械或車輛油品主要為柴油，其排放包括CO2、NOx、SO2.柴油排放因子高于其他化石能源，其CO2、SO2排放因子是汽油的1.07倍、6.2倍，其CO2、NOx排放因子是天然氣的1.32倍、1.16倍。北京市生態環境治理進入新階段，要求PM2.5與臭氧協同治理，工程機械和工程車輛油品將成為氫能替代的重要方向。目前我國氫能工程機械或車輛已經逐步開始商業化。2019年度，北京市建筑業工程機械或車輛柴油消耗量為22.3萬t，預設其柴油替代比例仍為30%(按照道路交通燃料電池車輛替代比例)，則氫能替代柴油約為12.16萬tce，實現減碳21.04萬t。
2.3.5航空業應用場景分析
氫能航空已經受到國內外充分重視。中國民用航空網公開信息顯示,我國民航領域碳達峰氫能替代的三種情境分別為替代1000萬t、600萬t、300萬t航空燃油;按照低位值300萬t航空燃油氫能替代，則氫能在全部航空燃油中占比約為8.13%。據此預設北京市航空燃油替代比例為8.13%。以2019年全市航空煤油消耗697.2萬t為基數測算，則氫能替代約為104.09萬tce，實現減碳180.08萬t。
2.3.6燃氣發電應用場景分析
研究預測2050年綠氫成本將與化石能源持平，規模化綠氫將在發電領域得到廣泛應用，“電-氫-電”模式將成為我國能源體系重要組成部分。基于此，預設2052年，氫能替代50%發電用燃氣量。以2019年全市發電用天然氣69.4億m3為基數測算，則氫能替代天然氣575.84萬tce，實現減碳898.31萬t。
各應用場景替代減碳量、貢獻度如表2所示。
三、北京市氫能應用場景政策建議
3.1編制北京市氫能中長期戰略規劃
氫能對建立全市低碳、智慧、安全能源體系，示范引領全市戰略性新興產業高質量發展，加強終端用能低碳轉型具有重要意義。2035年作為北京市雙碳戰略背景下的能耗達峰年份，是北京市實現碳中和戰略的重要節點，更是落實北京城市總體規劃(2035)的里程碑。有必要及時研究制定2035氫能中長期產業發展戰略規劃，做好氫能產業發展布局及有關重大項目儲備。
3.2支持建設一批氫能應用場景
依托創新型綠色技術推薦目錄、能源領域首臺(套)重大技術裝備、公共機構托管型合同能源管理等支持政策，在居民生活、產業園區、工業、建筑、公共機構等領域支持建設一批氫能應用場景，進一步豐富氫能終端應用示范。
3.3開展燃氣管道摻氫項目示范
新時代環境治理要求協同推進降碳、減污、擴綠、增長。NOx是光化學反應生成近地面臭氧的重要大氣污染物，主要來源是天然氣燃燒。北京市天然氣消耗比重大(2019年占比為34%)，開展天然氣管道摻氫示范，將進一步加快全市能源結構優化調整，推動節能、減污、降碳協同開展。可在北京城市副中心等重點區域的政府投資類項目中試點開展天然氣管道摻氫示范，帶動穩步開展天然氣替代工作。
四、結語
本文基于碳達峰碳中和宏觀政策背景及面板數據、有關研究成果和北京市經濟社會發展階段特征，分析研判了北京市碳達峰碳中和的時間節點和碳排放情況。通過對氫能關鍵技術發展趨勢、北京市碳排放重點領域等研究，設計了氫燃料電池汽車、天然氣管道摻氫、氫氣供熱、氫能供熱等可支撐北京市碳達峰碳中和目標實現的六個領域氫能應用場景，并提出了相應政策建議。本文研究成果可為碳達峰碳中和時間研判和氫能應用路徑研究提供參考。(作者：劉永光 李金華 亢遠飛)
