新兴气体能源的全球竞逐与趋势前瞻
来源：中能传媒研究院 时间：2023-08-14 16:48
全球能源转型正在经历从以化石能源为主的传统能源体系向以非化石能源为主的新型能源体系转变的进程之中。美国、欧盟、英国、法国、德国等国家和地区能源工业发展脉络表明，气体能源尤其是天然气因其兼具清洁、低碳和灵活三重特征，在能源绿色低碳转型过程中承担了重要角色。近年来，除了常规天然气之外，更多类型的能源气体或气体能源开始受到广泛关注，其中以非常规天然气、生物天然气、氢气、氨气等最具代表性。可再生气体燃料的发展将显著改变目前以常规天然气为主体的气体能源工业，为气体能源工业发展带来新的形态改变，也为未来能源工业的可持续发展提供更多的可能性。因而，新兴气体能源已被视为全球实现能源转型的重要能源。
随着能源技术的革新，气体能源所涵盖的类型也在不断发生变化。一般而言，气体能源是常温物理状态为气态、能够提供动力或能量的物质，现阶段主要的气体能源是以甲烷为主的碳氢化合物、氢气、氨气和一氧化碳等低分子量的可燃气体。除了通常所熟知的常规天然气以外，非常规天然气、生物天然气或生物燃气、氢气、氨气、人工合成气等不同来源和不同类型的气体能源及其组合，均可被称为新兴气体能源。新兴气体能源发展受到空前的重视，主要原因就在于这些气体能源有的是低碳的（如页岩气、煤层气、天然气水合物等非常规天然气）、有的是零碳（如蓝氢、由二氧化碳和绿氢合成的甲烷气、可再生甲烷气以及各种类型天然气与CCS的结合利用）、有的本身就有脱碳或无碳特性（如绿氢、绿氨），能够在一定程度上满足大气污染治理和温室气体减排的需要，具有巨大的经济、环境与气候价值。
在全球应对气候变化与能源绿色低碳转型的浪潮下，越来越多的新兴气体能源开始出现，产业规模逐步发展壮大，国际能源巨头正在加快进入新兴气体能源领域。国际天然气联盟（International Gas Union，IGU）认为，新兴气体能源对能源绿色低碳转型至关重要，通过现有的天然气基础设施或新建基础设施可以广泛地应用于电力、建筑、交通等部门，进而推动关键材料制造和重工业（如钢铁、水泥、化工等部门）实现深度脱碳。新兴气体能源作为清洁、绿色、经济的能源品种，在现代能源体系中的战略地位日益凸显，能够支持全球能源系统达成可实现、可负担、可持续地安全脱碳，气体能源工业正在迎来快速发展的战略机遇期。
一、全球兴起气体能源竞逐发展浪潮
（一）天然气工业的持续发展离不开非常规天然气
1970年以后，全球天然气产业开始大规模发展。2021年，天然气在全球一次能源消费总量中的占比约为24.4%，成为第三大能源，技术及产业已非常成熟，含碳量更低的天然气比煤炭、石油更具发展弹性。综合考虑新兴经济体工业化进程对天然气需求的增长和发达经济体对天然气需求的变化情况，未来天然气需求仍将持续增长。根据中国石油勘探开发研究院发布的研究报告，在新动力情景下，2050年天然气需求将比2019年的需求水平高出约20%。随着开采技术的创新性突破，页岩气、煤层气等非常规天然气已实现规模化商业化开采，成为常规天然气现实、可靠的补充资源。美国页岩气革命不仅使其实现了能源独立，改变了美国能源结构与能源战略，而且对国际天然气市场及全球能源格局产生重大影响，美洲页岩气和中东地区浅水天然气成为全球天然气产量的主要增长极。未来，天然气产业的持续发展将为非常规天然气快速发展奠定基础，非常规天然气和海域天然气（含天然气水合物）将成为天然气工业的主要发展方向。
（二）生物天然气（燃气）产业处于稳健发展状态
生物质能是全球第四大能源。生物天然气是以农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾、农副产品加工废水等各类城乡有机废弃物为原料，经厌氧发酵和净化提纯产生的绿色低碳清洁可再生的天然气，可通过直接使用现有的天然气基础设施，广泛应用于交通、发电、建筑、重工业等多个部门，被认为是未来天然气管网净零排放的最佳替代。生物天然气产业发展受到世界各国的重视，尤其是欧洲和美国正在大力发展生物天然气以实现有机废弃物资源化利用、温室气体减排以及天然气安全供应等目标。欧盟是最大的生物天然气生产地，发展生物天然气被认为是减少从俄罗斯进口天然气最具成本效益的方式。丹麦作为全球最大的沼气和生物甲烷生产国，提出生物天然气产业发展目标，即到2030年生物天然气产量将满足75%的天然气消费需求。生物天然气技术和商业化运作模式基本成熟，英国、美国、德国、荷兰均建立了生物天然气或沼气证书交易体系，美国已经形成全球最大的生物天然气交易市场。据国际能源署估算，全球可用于生产沼气和生物甲烷的原料量巨大，但受现有技术水平限制，有机废弃物利用率不高，若能充分利用，可以满足全球20%的天然气需求，因此生物天然气产业发展潜力巨大。
（三）全球范围氢能产业迎来爆发式增长的机遇期
氢气是一种能量密度高的能源，可作为清洁、高效、应用场景多元的能量载体。氢气来源主要包括化石燃料重整制氢（如煤制氢、天然气制氢）、工业副产氢（如焦炉煤气副产氢、氯碱工业副产氢）、清洁能源电解水制氢、其他制氢新技术（如太阳能光解水制氢、生物质制氢）。绿氢即清洁能源电解水制氢被认为是氢能产业的主要发展方向，制备成本持续走低。
从国际看，作为应对气候变化和加快能源转型的重要举措，欧盟、日本、美国、德国、法国、韩国、俄罗斯等国家和地区高度重视氢能产业发展，均发布了氢能战略。欧盟将发展氢能作为保障能源安全的重要举措，利用其在绿氢生产和完善的天然气基础设施方面的优势，形成了完整的制氢、储运氢、氢利用和燃料电池产业链；德国将绿氢作为发展氢能产业的战略选择，关注氢能与可再生能源的协同发展，在氢能制备、基础设施建设和应用场景开发等方面积极布局；法国提出建立未来的氢能基础设施，在天然气管网中注入氢以促进天然气行业脱碳，计划从2030年起将20%氢气掺混至天然气网络中与天然气混合输送；俄罗斯计划在2024年前建立氢能全产业链，利用天然气、核能等制取氢气，通过天然气管网掺氢或将现有天然气管道改造成氢气管网将氢能出口至欧洲；日本长期布局氢能产业战略发展，深耕氢能源与燃料电池技术研发，提出了氢燃料电池乘用车、家用燃料电池热电联供系统等一系列重点发展方向与明确的战略目标；加拿大设定了氢能2050战略愿景，即通过建设氢能基础设施及促进终端应用使加拿大成为全球主要氢供应国。
（四）氨能有望推动新兴气体能源进入发展新阶段
氨作为一种无碳化合物，充分燃烧时不会排放出二氧化碳，只产生水和氮气以及少量的氮氧化合物。与氢气相比，氨可以直接在现有的火力发电设施中混烧利用，可以作为清洁能源来代替传统化石能源。同时，作为天然的储氢介质，氨具有易液化、方便储存和运输等优势，能够解决当前氢能储运环节的关键难题。氨的主要生产原料是氢气，依据来源，氨可划分为灰氨、蓝氨、蓝绿氨和绿氨。绿氨作为零碳燃料和氢能载体，具有广泛的应用前景，将为电力、交通、工业等领域实现减碳和脱碳提供新的路径。
目前，全球氨产量约2.53亿吨。绿氨生产仍处于探索和起步阶段，尚未实现产业规模化。从全球范围来看，2021年绿氨市场规模约为3600万美元，到2030年预计将达到54.8亿美元。近年来，日本、澳大利亚等国家高度重视氨能在其未来能源体系中的地位和作用，在其能源政策中支持氨能产业的发展。日本计划通过氨煤混烧向纯氨燃烧过渡以实现电力行业脱碳。韩国于2020年宣布建设全球第一大氢气和氨气发电国，并公布了将氢和氨引入火力发电燃料组合的方案，提出从2030年开始实现氨燃料发电商业化，以减少其在电力生产中对煤炭和液化天然气的依赖。氨能将是实现氢能源2.0时代的关键能源，氢氨融合技术将带动氢能和氨能产业协同发展，也是推动新兴气体能源发展进入新阶段的关键能源。
（五）合成气等新兴气体能源仍有巨大发展潜力
合成气生产技术路线众多，可将煤炭等传统化石能源及工业副产品清洁高效地转化为化工产品和燃料，还可通过二氧化碳有机化工利用技术制备合成气，从而延伸至多个新兴领域。目前最具经济性和工业化前景的技术包括煤制天然气、焦炉气制天然气/氢气、二氧化碳干重整制合成气技术等。煤制天然气技术将煤炭转化为天然气，是实现煤炭清洁高效利用的重要方向。焦炉气是煤炼焦过程的副产品，主要成分为氢气和甲烷，还含有少量的一氧化碳和二氧化碳。焦炉煤气热值较高，是理想的燃料气源，净化处理后可以用于制备氢气、合成天然气，或与其他气源合成制取合成氨。煤炭是合成气的主要原料来源，我国在全球合成气市场占据主导地位。
二、我国新兴气体能源发展方兴未艾
近年来，我国天然气对外依存度已攀升至40%以上，且仍在持续提高，而受地缘政治、突发事件等影响国际天然气供应链十分脆弱。2021年，我国天然气消费量3690亿立方米，天然气产量2076亿立方米，缺口达1600多亿立方米。大力发展新兴气体能源产业，实现气体能源来源的多元化，可以有效弥补天然气供应缺口，支撑可再生能源发展，推动零碳、低碳气体能源规模化替代高碳燃料，进而提高国家能源安全保障程度。
我国《能源发展“十二五”规划》提出，“加快常规天然气勘探开发，大力开发煤层气、页岩气等非常规天然气资源，使其成为天然气供应的重要增长极”。我国天然气尤其是页岩气资源开发潜力巨大，2021年，我国天然气新增探明地质储量16284亿立方米，其中，页岩气、煤层气新增探明地质储量分别达到7454亿立方米和779亿立方米。页岩气、煤层气等非常规资源将成为推动我国天然气持续快速上产的重点接续领域，至2022年非常规天然气产量已经占全国总产量的三分之一。目前，我国已进入页岩气大规模商业化发展阶段，然而，受制于地质、技术等因素，页岩气开发利用具有风险大、成本高等产业特征，为此，国家陆续出台页岩气勘探开发支持性政策以推进产业发展。我国煤层气资源丰富，具有较大的开发潜力。国家能源局印发的《煤层气（煤矿瓦斯）开发利用方案》提出，2025年煤层气开发利用量达到100亿立方米的发展目标。
我国生物质资源丰富，农村、城市、工业有机废弃物资源化利用潜力大，虽然生物天然气产业起步较晚，但处于快速发展时期。中国沼气学会统计数据显示，截至2020年，我国已形成沼气产能超200亿立方米/年，预计到2030和2060年，我国可获得沼气生产潜力分别为1690亿和3710亿立方米。发展生物天然气不仅有利于增加天然气供应，还可以规模化处理有机废弃物，保护生态环境，发展生态农业。2019年12月，十部门联合印发了《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，提出到2030年，生物天然气年产量超过200亿立方米。应该看到，我国目前的生物天然气开发利用程度低，传统沼气产业发展模式面临成本高、基础设施不足、应用场景少等挑战。总体看，由于规模小、经营分散，尽管潜力巨大，但沼气在燃气中占比仍然较小。此外，由于缺少管线、净化设备等基础设施，沼气以就近利用为主，限制了规模化发展。
我国高度重视氢能产业发展，是世界上最大的制氢国，年制氢产量约3300万吨，可再生能源装机量全球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有巨大潜力。在顶层设计方面，《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》明确了氢能的战略定位、发展目标，提出了氢能创新体系、基础设施、多元化示范应用、政策和制度保障体系等建设任务。在基础研究方面，《“十四五”能源领域科技创新规划》围绕高效氢气制备、储运、加注和燃料电池等全产业链环节，部署了“十四五”期间拟重点开展的技术创新任务，并制定了各项任务的技术路线图。现阶段，我国氢气主要来自化石能源制灰氢，氢气输配成本仍然较高且应用场景不足，绿氢制备核心技术、装备以及材料还有待持续攻关。
我国还是世界上最大的合成氨生产国，产量约占世界总产量的三分之一，2021年我国合成氨产量约为5909万吨。合成氨行业能耗高、碳排放量大，受“双碳”目标和供给侧改革的影响，传统合成氨需要向绿氨过渡。国家发展改革委发布的《高耗能行业重点领域节能降碳改造升级实施指南（2022年版）》提出优化合成氨原料结构，增加绿氢原料比例；加大可再生能源生产氨技术研究，降低合成氨生产过程碳排放。《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》提出积极引导合成氨等行业由高碳工艺向低碳工艺转变，促进高耗能行业绿色低碳发展，探索开展可再生能源制氢在合成氨等行业替代化石能源的示范。
此外，我国焦炉煤气年产量约2000亿立方米，如果将焦炉煤气直接排放燃烧，不仅造成了资源的严重浪费，更对环境造成了巨大污染。回收利用焦炉煤气有助于实现废弃资源循环利用。
三、新兴气体能源重塑未来能源工业
发展新兴气体能源将重新定义对天然气工业的认知，推动现代能源工业体系的持续变革。未来的气体能源工业将是由多种低碳、零碳、脱碳气体有机组合形成的产业，涵盖常规与非常规天然气、生物天然气、合成气、蓝氢、绿氢、绿氨等众多新兴气体能源。天然气与生物天然气、氢气、氨气、合成气等新兴气体能源协同发展，气体能源与可再生能源发电的智慧融合，将极大地拓展天然气来源及关联工业发展空间，改变天然气工业和传统燃气行业，形成新的气体能源工业形态。
从能源消费角度看，新兴气体能源用途广泛，还可以将气体形式转换为液态、固态使用，可用于满足电力、交通运输、建筑、重工业等不同部门、不同类型的能源消费需求；气体能源的深度脱碳功能对于能源系统实现净零排放具有重要作用和重大价值，有望成为实现能源转型和碳减排目标的首选能源。从能源供给角度看，发展新兴气体能源，可以组合优化不同能源的使用及气体能源供给结构，作为常规天然气的重要补充，有利于缩小天然气供需缺口；推动天然气和燃气企业向气体能源综合服务商方向发展，实现多元化转型。从能源科技角度看，多气互补、天然气+新能源融合发展、多种能源产业协同，将持续推动创新性能源技术突破、先进装备制造和关键项目示范，进一步扩大气体能源工业发展空间。从能源体制角度看，发展新兴气体能源需打破传统的各自独立的气体能源基础设施建设与运营管理模式，与现有天然气工业实现良好融合；新建基础设施需统筹考虑气源、供应方式及其规模、消费现状与需求预测，不断拓展和丰富应用场景，实现全产业链基础设施的灵活应用与快速转换，提升气体能源工业整体价值。
以欧洲为例，欧洲是主要的天然气消费地区之一，也是全球最大的天然气进口地区，基于2050年实现净零排放目标以及天然气安全稳定供应双重压力，发展生物天然气、合成天然气、氢气等低碳或零碳的可再生气体燃料成为欧洲天然气行业较为理想的转型路径。欧盟在REPowerEU计划中提出，将加速推进生物天然气、可再生氢气对天然气、石油、煤炭等化石能源的替代。欧洲主要的天然气运营商都在积极发展生物甲烷、氢气、合成甲烷等可再生气体技术，推动天然气与生物甲烷、氢气等协同发展，同时升级改造天然气基础设施，提高管网的兼容性。欧洲的经验已经表明，利用天然气管输网络基础设施，通过掺氢等多种方式可以成功实现低成本、大规模、长距离输氢，同时以最低成本将天然气输送设施改造为氢气输送设施，终端分离的氢气可以有多样化的应用场景。
全球迈向碳中和的背景下，发展新兴气体能源，将充分优化使用现有的天然气工业资产，避免出现大规模天然气基础设施退役，特别是生产供应方式朝气体能源综合体方向发展，多气互补与综合利用将显著降低气体能源使用成本，大大提升天然气工业资产及关联产业链价值。值得注意的是，国际天然气联盟已经将“Gas”的范畴更改为“Gases”，把发展新兴气体能源提升到关系其组织生命力永续的高度来认识。总之，非常规天然气、氢能、氨能、生物燃气、合成气等新兴气体能源产业链条长，整体价值链潜力巨大，通过提供可持续的能源产品和服务，发展绿色供应链，联动关联广泛的工业制造业与服务业，将持续创造新的经济发展空间。
四、发展新兴气体能源的相关建议
发展新兴气体能源（主要是分子气体能源）是全球新一轮科技革命与产业变革背景下衍生出来的新赛道，将改变现有的能源生产与消费格局，产生新技术、新产业、新业态和大量新的商业机会。加快发展脱碳、低碳、零碳的气体能源，既能有效缓解我国面临的能源安全、环境保护和气候治理等多重压力，推动能源革命，又能培育新的经济增长点，应成为我国新型能源体系建设的重要组成部分和实现能源高质量发展的重要战略选择，引领全球能源工业发展方向。
针对我国新兴气体能源产业的培育与发展，应立足于全球竞争的战略高度，跟踪把握全球气体能源发展的产业、技术与市场动态，在顶层设计与政策制度保障上下足功夫，尽快开展新兴气体能源战略定位、关联基础设施建设、科技支撑与示范推广、安全监管与保障体系、人才培养、国际交流与合作等方面的全方位布局。
一是明确新兴气体能源在现代能源体系建设和碳达峰、碳中和工作中的战略定位，出台国家新兴气体能源中长期发展规划，积极促进可再生气体能源发展，革新天然气工业发展愿景，从供应、转化、储运、利用等方面联动发力，加快构建以天然气为基础、多种气体能源互为支撑、多气协同互补的气体能源工业体系。清晰定位新兴气体能源的地位与作用，防止多种气体能源无序发展，推动气体能源与其他能源融合发展，并在法律和制度保障层面给予政策支持。
二是布局若干大型气体能源基地，进一步优化现有管网设施体系的互联互通与共享，重点支持新兴气体能源基础设施建设。利用中西部省份中心城市地理位置优势，建构“气体能源基础设施桥梁”，积极发展氢基、氨基等新兴气体能源关联物流枢纽。强化管网技术创新，适度超前规划设计，升级改造天然气和燃气管网基础设施及终端，提高新兴气体能源并网使用的兼容性，推动生物天然气、氢气、合成甲烷气等能源气体规模化入网，充分挖掘现有管网资产价值潜力。鼓励各地制定纳入多气互补的能源发展规划，充分发挥天然气工业成熟的基础设施管网、技术体系和市场应用场景，推动多气混输、多气共用落地。
三是创新气体能源管理机制，鼓励各级政府出台激励政策，突破制约气体能源开发利用的制度和技术瓶颈，积极推进新兴气体能源规模化发展。在新兴气体能源认证、标准体系和交易体系建设、安全监管保障方面给予重点支持，打造新兴气体能源为主的绿色产业链供应链。鼓励氢氨融合、氢储能、多类型燃料电池、管网掺氢、氢/氨直燃、天然气水合物开发等技术研发及应用，推动天然气与氢气融合发展，加速推进生物天然气规模化发展，提高新兴气体能源在燃气消费中的占比。加强电-碳市场耦合，推进灵活低碳电源建设，充分发挥气体能源发电在新型电力系统建设中的灵活调峰电源、调节电网平衡的作用，鼓励以新兴气体能源作为关键支撑的储气调峰能力建设，促进可再生能源规模化发展。加速培育若干具有国际竞争力的气体能源企业集团。 （作者：厦门大学中国能源政策研究院教授 张博 2.中国矿业大学（北京）管理学院讲师 仲冰）
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责任编辑：张栋钧
