新興氣體能源的全球競逐與趨勢前瞻
來源：中能傳媒研究院 時間：2023-08-14 16:48
全球能源轉型正在經歷從以化石能源為主的傳統能源體系向以非化石能源為主的新型能源體系轉變的進程之中。美國、歐盟、英國、法國、德國等國家和地區能源工業發展脈絡表明，氣體能源尤其是天然氣因其兼具清潔、低碳和靈活三重特征，在能源綠色低碳轉型過程中承擔了重要角色。近年來，除了常規天然氣之外，更多類型的能源氣體或氣體能源開始受到廣泛關注，其中以非常規天然氣、生物天然氣、氫氣、氨氣等最具代表性。可再生氣體燃料的發展將顯著改變目前以常規天然氣為主體的氣體能源工業，為氣體能源工業發展帶來新的形態改變，也為未來能源工業的可持續發展提供更多的可能性。因而，新興氣體能源已被視為全球實現能源轉型的重要能源。
隨著能源技術的革新，氣體能源所涵蓋的類型也在不斷發生變化。一般而言，氣體能源是常溫物理狀態為氣態、能夠提供動力或能量的物質，現階段主要的氣體能源是以甲烷為主的碳氫化合物、氫氣、氨氣和一氧化碳等低分子量的可燃氣體。除了通常所熟知的常規天然氣以外，非常規天然氣、生物天然氣或生物燃氣、氫氣、氨氣、人工合成氣等不同來源和不同類型的氣體能源及其組合，均可被稱為新興氣體能源。新興氣體能源發展受到空前的重視，主要原因就在于這些氣體能源有的是低碳的（如頁巖氣、煤層氣、天然氣水合物等非常規天然氣）、有的是零碳（如藍氫、由二氧化碳和綠氫合成的甲烷氣、可再生甲烷氣以及各種類型天然氣與CCS的結合利用）、有的本身就有脫碳或無碳特性（如綠氫、綠氨），能夠在一定程度上滿足大氣污染治理和溫室氣體減排的需要，具有巨大的經濟、環境與氣候價值。
在全球應對氣候變化與能源綠色低碳轉型的浪潮下，越來越多的新興氣體能源開始出現，產業規模逐步發展壯大，國際能源巨頭正在加快進入新興氣體能源領域。國際天然氣聯盟（International Gas Union，IGU）認為，新興氣體能源對能源綠色低碳轉型至關重要，通過現有的天然氣基礎設施或新建基礎設施可以廣泛地應用于電力、建筑、交通等部門，進而推動關鍵材料制造和重工業（如鋼鐵、水泥、化工等部門）實現深度脫碳。新興氣體能源作為清潔、綠色、經濟的能源品種，在現代能源體系中的戰略地位日益凸顯，能夠支持全球能源系統達成可實現、可負擔、可持續地安全脫碳，氣體能源工業正在迎來快速發展的戰略機遇期。
一、全球興起氣體能源競逐發展浪潮
（一）天然氣工業的持續發展離不開非常規天然氣
1970年以后，全球天然氣產業開始大規模發展。2021年，天然氣在全球一次能源消費總量中的占比約為24.4%，成為第三大能源，技術及產業已非常成熟，含碳量更低的天然氣比煤炭、石油更具發展彈性。綜合考慮新興經濟體工業化進程對天然氣需求的增長和發達經濟體對天然氣需求的變化情況，未來天然氣需求仍將持續增長。根據中國石油勘探開發研究院發布的研究報告，在新動力情景下，2050年天然氣需求將比2019年的需求水平高出約20%。隨著開采技術的創新性突破，頁巖氣、煤層氣等非常規天然氣已實現規模化商業化開采，成為常規天然氣現實、可靠的補充資源。美國頁巖氣革命不僅使其實現了能源獨立，改變了美國能源結構與能源戰略，而且對國際天然氣市場及全球能源格局產生重大影響，美洲頁巖氣和中東地區淺水天然氣成為全球天然氣產量的主要增長極。未來，天然氣產業的持續發展將為非常規天然氣快速發展奠定基礎，非常規天然氣和海域天然氣（含天然氣水合物）將成為天然氣工業的主要發展方向。
（二）生物天然氣（燃氣）產業處于穩健發展狀態
生物質能是全球第四大能源。生物天然氣是以農作物秸稈、畜禽糞污、餐廚垃圾、農副產品加工廢水等各類城鄉有機廢棄物為原料，經厭氧發酵和凈化提純產生的綠色低碳清潔可再生的天然氣，可通過直接使用現有的天然氣基礎設施，廣泛應用于交通、發電、建筑、重工業等多個部門，被認為是未來天然氣管網凈零排放的最佳替代。生物天然氣產業發展受到世界各國的重視，尤其是歐洲和美國正在大力發展生物天然氣以實現有機廢棄物資源化利用、溫室氣體減排以及天然氣安全供應等目標。歐盟是最大的生物天然氣生產地，發展生物天然氣被認為是減少從俄羅斯進口天然氣最具成本效益的方式。丹麥作為全球最大的沼氣和生物甲烷生產國，提出生物天然氣產業發展目標，即到2030年生物天然氣產量將滿足75%的天然氣消費需求。生物天然氣技術和商業化運作模式基本成熟，英國、美國、德國、荷蘭均建立了生物天然氣或沼氣證書交易體系，美國已經形成全球最大的生物天然氣交易市場。據國際能源署估算，全球可用于生產沼氣和生物甲烷的原料量巨大，但受現有技術水平限制，有機廢棄物利用率不高，若能充分利用，可以滿足全球20%的天然氣需求，因此生物天然氣產業發展潛力巨大。
（三）全球范圍氫能產業迎來爆發式增長的機遇期
氫氣是一種能量密度高的能源，可作為清潔、高效、應用場景多元的能量載體。氫氣來源主要包括化石燃料重整制氫（如煤制氫、天然氣制氫）、工業副產氫（如焦爐煤氣副產氫、氯堿工業副產氫）、清潔能源電解水制氫、其他制氫新技術（如太陽能光解水制氫、生物質制氫）。綠氫即清潔能源電解水制氫被認為是氫能產業的主要發展方向，制備成本持續走低。
從國際看，作為應對氣候變化和加快能源轉型的重要舉措，歐盟、日本、美國、德國、法國、韓國、俄羅斯等國家和地區高度重視氫能產業發展，均發布了氫能戰略。歐盟將發展氫能作為保障能源安全的重要舉措，利用其在綠氫生產和完善的天然氣基礎設施方面的優勢，形成了完整的制氫、儲運氫、氫利用和燃料電池產業鏈；德國將綠氫作為發展氫能產業的戰略選擇，關注氫能與可再生能源的協同發展，在氫能制備、基礎設施建設和應用場景開發等方面積極布局；法國提出建立未來的氫能基礎設施，在天然氣管網中注入氫以促進天然氣行業脫碳，計劃從2030年起將20%氫氣摻混至天然氣網絡中與天然氣混合輸送；俄羅斯計劃在2024年前建立氫能全產業鏈，利用天然氣、核能等制取氫氣，通過天然氣管網摻氫或將現有天然氣管道改造成氫氣管網將氫能出口至歐洲；日本長期布局氫能產業戰略發展，深耕氫能源與燃料電池技術研發，提出了氫燃料電池乘用車、家用燃料電池熱電聯供系統等一系列重點發展方向與明確的戰略目標；加拿大設定了氫能2050戰略愿景，即通過建設氫能基礎設施及促進終端應用使加拿大成為全球主要氫供應國。
（四）氨能有望推動新興氣體能源進入發展新階段
氨作為一種無碳化合物，充分燃燒時不會排放出二氧化碳，只產生水和氮氣以及少量的氮氧化合物。與氫氣相比，氨可以直接在現有的火力發電設施中混燒利用，可以作為清潔能源來代替傳統化石能源。同時，作為天然的儲氫介質，氨具有易液化、方便儲存和運輸等優勢，能夠解決當前氫能儲運環節的關鍵難題。氨的主要生產原料是氫氣，依據來源，氨可劃分為灰氨、藍氨、藍綠氨和綠氨。綠氨作為零碳燃料和氫能載體，具有廣泛的應用前景，將為電力、交通、工業等領域實現減碳和脫碳提供新的路徑。
目前，全球氨產量約2.53億噸。綠氨生產仍處于探索和起步階段，尚未實現產業規模化。從全球范圍來看，2021年綠氨市場規模約為3600萬美元，到2030年預計將達到54.8億美元。近年來，日本、澳大利亞等國家高度重視氨能在其未來能源體系中的地位和作用，在其能源政策中支持氨能產業的發展。日本計劃通過氨煤混燒向純氨燃燒過渡以實現電力行業脫碳。韓國于2020年宣布建設全球第一大氫氣和氨氣發電國，并公布了將氫和氨引入火力發電燃料組合的方案，提出從2030年開始實現氨燃料發電商業化，以減少其在電力生產中對煤炭和液化天然氣的依賴。氨能將是實現氫能源2.0時代的關鍵能源，氫氨融合技術將帶動氫能和氨能產業協同發展，也是推動新興氣體能源發展進入新階段的關鍵能源。
（五）合成氣等新興氣體能源仍有巨大發展潛力
合成氣生產技術路線眾多，可將煤炭等傳統化石能源及工業副產品清潔高效地轉化為化工產品和燃料，還可通過二氧化碳有機化工利用技術制備合成氣，從而延伸至多個新興領域。目前最具經濟性和工業化前景的技術包括煤制天然氣、焦爐氣制天然氣/氫氣、二氧化碳干重整制合成氣技術等。煤制天然氣技術將煤炭轉化為天然氣，是實現煤炭清潔高效利用的重要方向。焦爐氣是煤煉焦過程的副產品，主要成分為氫氣和甲烷，還含有少量的一氧化碳和二氧化碳。焦爐煤氣熱值較高，是理想的燃料氣源，凈化處理后可以用于制備氫氣、合成天然氣，或與其他氣源合成制取合成氨。煤炭是合成氣的主要原料來源，我國在全球合成氣市場占據主導地位。
二、我國新興氣體能源發展方興未艾
近年來，我國天然氣對外依存度已攀升至40%以上，且仍在持續提高，而受地緣政治、突發事件等影響國際天然氣供應鏈十分脆弱。2021年，我國天然氣消費量3690億立方米，天然氣產量2076億立方米，缺口達1600多億立方米。大力發展新興氣體能源產業，實現氣體能源來源的多元化，可以有效彌補天然氣供應缺口，支撐可再生能源發展，推動零碳、低碳氣體能源規模化替代高碳燃料，進而提高國家能源安全保障程度。
我國《能源發展“十二五”規劃》提出，“加快常規天然氣勘探開發，大力開發煤層氣、頁巖氣等非常規天然氣資源，使其成為天然氣供應的重要增長極”。我國天然氣尤其是頁巖氣資源開發潛力巨大，2021年，我國天然氣新增探明地質儲量16284億立方米，其中，頁巖氣、煤層氣新增探明地質儲量分別達到7454億立方米和779億立方米。頁巖氣、煤層氣等非常規資源將成為推動我國天然氣持續快速上產的重點接續領域，至2022年非常規天然氣產量已經占全國總產量的三分之一。目前，我國已進入頁巖氣大規模商業化發展階段，然而，受制于地質、技術等因素，頁巖氣開發利用具有風險大、成本高等產業特征，為此，國家陸續出臺頁巖氣勘探開發支持性政策以推進產業發展。我國煤層氣資源豐富，具有較大的開發潛力。國家能源局印發的《煤層氣（煤礦瓦斯）開發利用方案》提出，2025年煤層氣開發利用量達到100億立方米的發展目標。
我國生物質資源豐富，農村、城市、工業有機廢棄物資源化利用潛力大，雖然生物天然氣產業起步較晚，但處于快速發展時期。中國沼氣學會統計數據顯示，截至2020年，我國已形成沼氣產能超200億立方米/年，預計到2030和2060年，我國可獲得沼氣生產潛力分別為1690億和3710億立方米。發展生物天然氣不僅有利于增加天然氣供應，還可以規模化處理有機廢棄物，保護生態環境，發展生態農業。2019年12月，十部門聯合印發了《關于促進生物天然氣產業化發展的指導意見》，提出到2030年，生物天然氣年產量超過200億立方米。應該看到，我國目前的生物天然氣開發利用程度低，傳統沼氣產業發展模式面臨成本高、基礎設施不足、應用場景少等挑戰。總體看，由于規模小、經營分散，盡管潛力巨大，但沼氣在燃氣中占比仍然較小。此外，由于缺少管線、凈化設備等基礎設施，沼氣以就近利用為主，限制了規模化發展。
我國高度重視氫能產業發展，是世界上最大的制氫國，年制氫產量約3300萬噸，可再生能源裝機量全球第一，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。在頂層設計方面，《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》明確了氫能的戰略定位、發展目標，提出了氫能創新體系、基礎設施、多元化示范應用、政策和制度保障體系等建設任務。在基礎研究方面，《“十四五”能源領域科技創新規劃》圍繞高效氫氣制備、儲運、加注和燃料電池等全產業鏈環節，部署了“十四五”期間擬重點開展的技術創新任務，并制定了各項任務的技術路線圖。現階段，我國氫氣主要來自化石能源制灰氫，氫氣輸配成本仍然較高且應用場景不足，綠氫制備核心技術、裝備以及材料還有待持續攻關。
我國還是世界上最大的合成氨生產國，產量約占世界總產量的三分之一，2021年我國合成氨產量約為5909萬噸。合成氨行業能耗高、碳排放量大，受“雙碳”目標和供給側改革的影響，傳統合成氨需要向綠氨過渡。國家發展改革委發布的《高耗能行業重點領域節能降碳改造升級實施指南（2022年版）》提出優化合成氨原料結構，增加綠氫原料比例；加大可再生能源生產氨技術研究，降低合成氨生產過程碳排放。《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》提出積極引導合成氨等行業由高碳工藝向低碳工藝轉變，促進高耗能行業綠色低碳發展，探索開展可再生能源制氫在合成氨等行業替代化石能源的示范。
此外，我國焦爐煤氣年產量約2000億立方米，如果將焦爐煤氣直接排放燃燒，不僅造成了資源的嚴重浪費，更對環境造成了巨大污染。回收利用焦爐煤氣有助于實現廢棄資源循環利用。
三、新興氣體能源重塑未來能源工業
發展新興氣體能源將重新定義對天然氣工業的認知，推動現代能源工業體系的持續變革。未來的氣體能源工業將是由多種低碳、零碳、脫碳氣體有機組合形成的產業，涵蓋常規與非常規天然氣、生物天然氣、合成氣、藍氫、綠氫、綠氨等眾多新興氣體能源。天然氣與生物天然氣、氫氣、氨氣、合成氣等新興氣體能源協同發展，氣體能源與可再生能源發電的智慧融合，將極大地拓展天然氣來源及關聯工業發展空間，改變天然氣工業和傳統燃氣行業，形成新的氣體能源工業形態。
從能源消費角度看，新興氣體能源用途廣泛，還可以將氣體形式轉換為液態、固態使用，可用于滿足電力、交通運輸、建筑、重工業等不同部門、不同類型的能源消費需求；氣體能源的深度脫碳功能對于能源系統實現凈零排放具有重要作用和重大價值，有望成為實現能源轉型和碳減排目標的首選能源。從能源供給角度看，發展新興氣體能源，可以組合優化不同能源的使用及氣體能源供給結構，作為常規天然氣的重要補充，有利于縮小天然氣供需缺口；推動天然氣和燃氣企業向氣體能源綜合服務商方向發展，實現多元化轉型。從能源科技角度看，多氣互補、天然氣+新能源融合發展、多種能源產業協同，將持續推動創新性能源技術突破、先進裝備制造和關鍵項目示范，進一步擴大氣體能源工業發展空間。從能源體制角度看，發展新興氣體能源需打破傳統的各自獨立的氣體能源基礎設施建設與運營管理模式，與現有天然氣工業實現良好融合；新建基礎設施需統籌考慮氣源、供應方式及其規模、消費現狀與需求預測，不斷拓展和豐富應用場景，實現全產業鏈基礎設施的靈活應用與快速轉換，提升氣體能源工業整體價值。
以歐洲為例，歐洲是主要的天然氣消費地區之一，也是全球最大的天然氣進口地區，基于2050年實現凈零排放目標以及天然氣安全穩定供應雙重壓力，發展生物天然氣、合成天然氣、氫氣等低碳或零碳的可再生氣體燃料成為歐洲天然氣行業較為理想的轉型路徑。歐盟在REPowerEU計劃中提出，將加速推進生物天然氣、可再生氫氣對天然氣、石油、煤炭等化石能源的替代。歐洲主要的天然氣運營商都在積極發展生物甲烷、氫氣、合成甲烷等可再生氣體技術，推動天然氣與生物甲烷、氫氣等協同發展，同時升級改造天然氣基礎設施，提高管網的兼容性。歐洲的經驗已經表明，利用天然氣管輸網絡基礎設施，通過摻氫等多種方式可以成功實現低成本、大規模、長距離輸氫，同時以最低成本將天然氣輸送設施改造為氫氣輸送設施，終端分離的氫氣可以有多樣化的應用場景。
全球邁向碳中和的背景下，發展新興氣體能源，將充分優化使用現有的天然氣工業資產，避免出現大規模天然氣基礎設施退役，特別是生產供應方式朝氣體能源綜合體方向發展，多氣互補與綜合利用將顯著降低氣體能源使用成本，大大提升天然氣工業資產及關聯產業鏈價值。值得注意的是，國際天然氣聯盟已經將“Gas”的范疇更改為“Gases”，把發展新興氣體能源提升到關系其組織生命力永續的高度來認識。總之，非常規天然氣、氫能、氨能、生物燃氣、合成氣等新興氣體能源產業鏈條長，整體價值鏈潛力巨大，通過提供可持續的能源產品和服務，發展綠色供應鏈，聯動關聯廣泛的工業制造業與服務業，將持續創造新的經濟發展空間。
四、發展新興氣體能源的相關建議
發展新興氣體能源（主要是分子氣體能源）是全球新一輪科技革命與產業變革背景下衍生出來的新賽道，將改變現有的能源生產與消費格局，產生新技術、新產業、新業態和大量新的商業機會。加快發展脫碳、低碳、零碳的氣體能源，既能有效緩解我國面臨的能源安全、環境保護和氣候治理等多重壓力，推動能源革命，又能培育新的經濟增長點，應成為我國新型能源體系建設的重要組成部分和實現能源高質量發展的重要戰略選擇，引領全球能源工業發展方向。
針對我國新興氣體能源產業的培育與發展，應立足于全球競爭的戰略高度，跟蹤把握全球氣體能源發展的產業、技術與市場動態，在頂層設計與政策制度保障上下足功夫，盡快開展新興氣體能源戰略定位、關聯基礎設施建設、科技支撐與示范推廣、安全監管與保障體系、人才培養、國際交流與合作等方面的全方位布局。
一是明確新興氣體能源在現代能源體系建設和碳達峰、碳中和工作中的戰略定位，出臺國家新興氣體能源中長期發展規劃，積極促進可再生氣體能源發展，革新天然氣工業發展愿景，從供應、轉化、儲運、利用等方面聯動發力，加快構建以天然氣為基礎、多種氣體能源互為支撐、多氣協同互補的氣體能源工業體系。清晰定位新興氣體能源的地位與作用，防止多種氣體能源無序發展，推動氣體能源與其他能源融合發展，并在法律和制度保障層面給予政策支持。
二是布局若干大型氣體能源基地，進一步優化現有管網設施體系的互聯互通與共享，重點支持新興氣體能源基礎設施建設。利用中西部省份中心城市地理位置優勢，建構“氣體能源基礎設施橋梁”，積極發展氫基、氨基等新興氣體能源關聯物流樞紐。強化管網技術創新，適度超前規劃設計，升級改造天然氣和燃氣管網基礎設施及終端，提高新興氣體能源并網使用的兼容性，推動生物天然氣、氫氣、合成甲烷氣等能源氣體規模化入網，充分挖掘現有管網資產價值潛力。鼓勵各地制定納入多氣互補的能源發展規劃，充分發揮天然氣工業成熟的基礎設施管網、技術體系和市場應用場景，推動多氣混輸、多氣共用落地。
三是創新氣體能源管理機制，鼓勵各級政府出臺激勵政策，突破制約氣體能源開發利用的制度和技術瓶頸，積極推進新興氣體能源規模化發展。在新興氣體能源認證、標準體系和交易體系建設、安全監管保障方面給予重點支持，打造新興氣體能源為主的綠色產業鏈供應鏈。鼓勵氫氨融合、氫儲能、多類型燃料電池、管網摻氫、氫/氨直燃、天然氣水合物開發等技術研發及應用，推動天然氣與氫氣融合發展，加速推進生物天然氣規模化發展，提高新興氣體能源在燃氣消費中的占比。加強電-碳市場耦合，推進靈活低碳電源建設，充分發揮氣體能源發電在新型電力系統建設中的靈活調峰電源、調節電網平衡的作用，鼓勵以新興氣體能源作為關鍵支撐的儲氣調峰能力建設，促進可再生能源規模化發展。加速培育若干具有國際競爭力的氣體能源企業集團。 （作者：廈門大學中國能源政策研究院教授 張博 2.中國礦業大學（北京）管理學院講師 仲冰）
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責任編輯：張棟鈞
