面向碳中和的绿氢跨国贸易文献综述

李 智

（华北电力大学， 北京 100000）

0 引言

长期以来，人类大量消耗以煤炭、石油和天然气为代表的化石燃料，造成CO2等温室气体的排放总量逐年升高。为了实现《巴黎协定》的1.5 ℃温控目标，各国都做出了努力，发展低碳清洁的绿色能源，以降低温室气体的排放量，达成能源绿色转型的目标[1]。2020 年，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上发表重要讲话，提出要加快形成绿色发展、生活方式，建设生态文明和美丽地球。中国将提高国家自主贡献度，采取更加有力的政策和措施，力争于2030 年前CO2的排放量达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。碳中和成为了全球共同努力与行动的方向。

在实现碳中和的过程中，运用清洁的可再生能源替代化石燃料成为人们的首要选择，可再生能源也迎来了巨大的发展前景。氢气作为一种清洁的可再生能源，原材料来源丰富、热值高、应用广泛，受到了普遍的关注，有望在交通、工业和建筑等高碳排放行业的碳中和实现过程中发挥重要的作用。根据氢能生产来源和制造过程中的排放情况，分为灰氢、蓝氢以及绿氢。灰氢是指是通过化石燃料制取的氢气，在生产过程中会有CO2等排放。蓝氢指的是利用化石燃料制氢，同时配合碳捕获、利用与封存（CCUS）技术，碳排放强度相对较低，但捕集成本较高。目前，有研究表明，通过CCUS 技术降低温室效应的作用微乎其微[2]。绿氢指的是采用风电、水电和太阳能等可再生能源电解制氢，制氢过程完全没有碳排放，可以从源头上阻断CO2的排放，它是推动新能源大规模发展的重要手段。

一些研究表明，到2050 年，氢和氢基燃料的潜力将占全球能源供应的15%以上。一些行业参与者甚至更加乐观，他们相信，到2050 年，绿色氢可以满足世界能源需求的25%，每年有11 万亿美元的潜在市场。由此看来，绿氢的市场潜力是巨大的。氢气的贸易将由经济和地缘政治因素决定，这种贸易的一个关键驱动力将是可再生能源的分配。可再生能源资源相对丰富且成本较低的国家，可以通过降低电解成本来降低氢气的生产成本，并将其出口到可再生能源资源较为稀缺且氢气生产成本较高的国家。当前，氢气供应链中的主要成本包括生产成本、中间储存成本、液化成本（或转化成本，取决于氢气载体）和运输成本。尽管新兴“可再生能源出口国”生产绿色氢的成本预计在未来10 年内将与化石制氢达到同等水平，但氢的运输成本仍将是氢出口国及其潜在竞争对手的关键因素，并取决于承运人和运输路线的性质。

本文对国际绿氢供应网络相关的文献进行分类整理，主要包括对国际能源贸易网络的研究、可再生能源制氢的研究、氢气大规模运输方法的研究以及国际绿氢贸易的研究等。

1 国际能源贸易网络

目前，对于氢气供应网络研究的现实案例较少，因此，主要参考在国际贸易中以煤炭、石油和天然气等化石燃料作为研究对象的研究文献。Alexandre 等人将连接预测与复杂网络方法相结合，将各个国家与其出口的产品链接起来，预测了未来各个国家的产品出口情况。Ji 等人构建了一个全球石油贸易核心网络，利用复杂网络理论分析石油贸易的整体特征、区域特征和稳定性，将全球石油贸易网络分为三个贸易集团，包括“南美—西非—北美”贸易集团、“中东—亚太地区”贸易集团和“前苏联—北非—欧洲”贸易集团。梅强等人利用船舶轨迹数据和复杂网络理论，分析了2018—2020 年液化天然气海上运输网络演化趋势，结果表明，“一带一路”国家贸易参与度强，中北美、南亚和东南亚地区的进口港数量和进口航次数增长尤为明显，中国的液化天然气进口货量规模发展迅速，海上运输网络流向趋于多元，但澳大利亚仍占据主要来源地位。Yang 等人应用复杂的网络分析来研究全球原油流动的地理分布及其演变，发现能源生产和消费的多极化导致能源贸易呈现集团化的趋势，主要包括美国—中南美洲—中东—非洲、俄罗斯—欧盟—中亚里海地区以及东亚—东南亚—中东—非洲等多个贸易集团。肖建忠等结合复杂网络理论和社会网络分析方法，通过对比分析2004—2019 年国际天然气贸易网络关系图，发现在全球天然气贸易网络内部，日益凸显出天然气国际贸易相对集中的三大区域：欧洲贸易区、亚太贸易区和北美贸易区。杨宇指出，随着可再生能源的发展，中国与全球能源互动逻辑从单纯的油气贸易转变为涉及可再生能源相关产品的贸易，凭借制造业优势，互动范围从油气富集的国家和地区拓展到全球拥有可再生能源发展和装机需求的国家，形成了覆盖全球主要国家和地区的可再生能源贸易新格局。中国的海外能源投资目标从有限数量的东道国扩展到欧洲、东南亚等国家和地区，投资业务不仅局限在油气领域，也扩大到太阳能、风能和水能等可再生能源发电项目及电网等基础设施建设。

煤炭、石油和天然气等化石能源，其形成过程与自然相关，是古代生物经过长时间的演化转变而成的，在世界范围的分布并不均匀，是某些国家特有的资源。因此，化石能源的贸易网络与其分布的范围具有很强的相关性。而氢气作为一种绿色的二次能源，其供应网络与经济、地缘政治及可再生能源分布等因素息息相关。随着绿氢贸易的发展，国际能源贸易格局将会迎来新的改变。

2 再生能源制氢

可再生能源与氢能结合，实现全过程的零碳排放。进行大规模制氢的方式主要有：电解水制氢、生物质能制氢和热化学循环制氢。本文主要研究的是以海上风电、陆上风电以及太阳能光伏发电为电力来源的电解水制氢。

2019 年，我国氢气产量约为3 342 万t，主要来源于化石能源制氢（煤制氢、天然气制氢）。其中，煤制氢产量为2 124 t，占我国氢能产量的64%。工业副产氢制氢产量为710 万t，占我国氢能产量的21%。天然气制氢产量为460 万t，占我国氢能产量的14%。电解水制氢产量仅约为50 万t，占比不足2%。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2020）》预测，2030年、2040 年、2050 年和2060 年，电解水制氢占比将逐渐提升到10%、25%、45%和70%。因此，发展可再生能源制氢，不仅可以实现本地可再生能源的有效消纳，也是绿色转型的重要途经，可以显著降低碳排放，有巨大的规模化潜力。

2.1 海上风电制氢

风力发电约占世界电力的5%，大部分安装在陆上。然而，海上具有更高的风速和更一致的风，这意味着海上风机将产生更高的能量，但同时海上风电制氢技术也面临重大挑战。目前，海上风电制氢有两种系统配置。第一种系统配置由海上风电场、海上电解槽和陆上储氢设施组成。与第一种相比，第二种系统配置的区别在于电解槽位于岸上。对于第一种系统，风力涡轮机产生的电力短距离传输到电解槽平台，在那里生产、压缩氢气并通过管道输送到岸边。对于第二种系统，电力通过传统电缆传输到岸上，在那里可以直接向电网出售电力或生产氢气，这被称为混合系统。运营商可以控制出售给电网和送入电解槽的电量，甚至可以在极低电价期间从电网购买电力来生产氢气，从而提升电网运营商的负载灵活性。由于为电解槽供电的电力来源是风电场，因此，在制氢过程中不会产生碳排放。董辉等人提出了一种利用氢能代替风电进行远海能量输送的策略，通过电解制氢技术，将电能就地转化为氢能，并建设输氢管道将氢气输送至陆地，海上风电耦合制氢可以实现海上风电的就地消纳，降低了电力的运输成本，减少了风电大规模并网对电网稳定性造成的影响，同时，也促进了能源的清洁化发展。

2.2 陆上风电制氢

与海上风电制氢不同的是，在建造陆上风电场时，需要考虑附近居民的因素。Sacramento 等人对巴西塞阿拉州的电解水制氢生产进行了研究。如果塞阿拉州巨大的太阳能和风能资源转化为氢气，到2060年，大部分温室气体和酸雨气体的排放将归零。因此，塞阿拉州人民的生活水平将得到改善，环境将得到更好的保护。郭岳等人研究了中国巨大的风能存储系统模型，同时调研了当地居民对于建设风电项目的接受程度。研究指出，在建设风电场时，应考虑拟建风电场的规模、拟建场址的具体地理特征以及公众关注的问题。Mohammed 等人考虑将混合风能和可再生氢系统结合起来，以确保提供稳定的100%可再生能源。尽管可再生氢的储存机制成本高昂，需要较高的资金成本，但是，可再生氢仍具有100%集成和环境友好的潜力。

2.3 太阳能光伏发电制氢

太阳能光伏耦合制氢技术促进了能源的清洁化发展，通过利用光伏发电产生的弃电、废电，扩大氢气的生产量，进而降低氢气的生产成本。目前，光伏发电和电解水制氢技术均可以实现独立的商业化发展。但是，光伏制氢耦合系统现在仍处在理论研究阶段。郭常青等人建立了太阳能光伏阵列与质子交换膜水电解直接耦合系统的分析模型，为后续技术的运行以及优化创造了理论基础。刘传亮等人通过分析国内光伏耦合制氢技术的发展现状，对宽功率光伏耦合制氢技术的运行效果和系统经济性进行评价，根据我国西北地区的特点提出了适合光伏耦合制氢技术示范的技术路线。由于能够利用弃光、弃电，与上网后制氢相比，大规模光伏离网制氢的系统经济性较好。

3 氢气的大规模储运

在氢能的全产业链中，氢在储运环节的成本占比高达30%，是关键的一环。因此，要实现绿氢的海上供应网络，离不开氢气的大规模储运。目前，氢气的大规模运输的主要形式有液态氢运输、与液体有机物结合运输和合成氨运输。

3.1 液态氢运输

低温液态储氢具有能量密度大、体积密度大和加注时间短等优点，其基本原理是将氢气压缩冷却至-253 ℃使其液化，并储存在低温绝热容器中。液氢可以通过船舶进行海上运输，专用的液氢驳船装载有较大容量的液氢储罐，运载能力大、能耗低，适合于远距离运输。目前，船运的液氢储罐最大容积可达到1 000 m3。2022 年，日本川崎重工业公司制造的全球第一艘液化氢运输船，带着第一批澳大利亚氢气成功运抵日本，实现了世界首次液氢运输。这一事件轰动了全球能源界，被认为是一个里程碑事件，意味着全球大规模氢贸易的开端。徐长安将液氢与液化天然气的特性进行对比分析，根据两者的共性以及差异，对液氢在储存、装卸、汽化、燃烧和安全保护等关键方面进行研究，得出适合液氢关键系统设计的技术，并就制约因素进行了分析，可为后续液氢船的设计提供一定的理论指导。

3.2 液态有机物运输

O.Sultan 和M.Shaw 在1975 年首次提出利用可循环液体化学氢载体储氢的构想，开辟了新型储氢技术的研究领域。液态有机物储氢技术（简称LOHC）原理是借助某些烯烃、炔烃或芳香烃等不饱和液体有机物和氢气的可逆反应、加氢反应实现氢的储存（化学键合），借助脱氢反应实现氢的释放，质量储氢密度在5%～10%，储氢量大，储氢材料为液态有机物，可以实现常温常压运输，方便安全。袁胜楠等人通过综述LOHC 技术的现状及发展中存在的问题，提出改进方向，以期推动该技术进一步发展和工业化应用进程，加速氢能的产业化应用。

3.3 合成氨运输

刘洪茹等人以从挪威到中国和欧洲两条路线为例，以能量效率和碳排放强度为研究参数，以液氢和氨两种氢能储运方式为研究对象，选取合理的数据进行理论计算并搭建运输链，绘制出各条运输链的能流图，对两种运输方式进行了比较。结果表明，氨（不裂解）运输链运输到欧洲和中国的能量效率分别是41.6%和33.6%，高于液氢运输链的37.65%和33.38%，而氨（裂解）运输链的能量效率最低，为30.39%和24.83%。Johnston 等人提出了一个开源模型，该模型旨在帮助利益相关者评估通过不同路线运输各种形式氢气的成本，包括液态氢、氨、液化天然气、甲醇和液态有机氢载体形式的氢运输。以鹿特丹—澳大利亚航线为例，计算得出成本最低的是合成氨运输，运输价格为0.56 美元/kgH2。

4 国际绿氢贸易

全球贸易的迹象正在显现，2020—2021 年，有80多个与全球氢或氨贸易相关的项目或合作公告。根据这些公告，最活跃的潜在进口国是德国、日本和荷兰，最积极的潜在出口国是澳大利亚。氢贸易在很大程度上在区域市场上发展，欧洲的主要贸易伙伴是北非和中东，澳大利亚主要供应亚洲市场。拉丁美洲的区域内市场很重要，同时，也出口到欧洲。国际氢贸易不仅取决于成本差异，还由地缘政治等因素决定。氢出口可以为石油经济体提供多样化的机会，为拥有大量可再生资源的国家在全球能源格局中发挥更突出的作用，为拥有技术的国家提供开发新设施的专门知识。还为进口国提供了使供应商多样化和向低排放过渡的机会。这些关系将由现有的伙伴关系和联盟、双边关系以及氢工业的发展状况等因素来界定。规模化是限制氢经济增长的主要挑战之一，特别是运输绿色氢的高昂成本阻碍了国际贸易和更广泛地采用氢来实现全球碳中和目标。为了探索全球氢经济的激励机制，开发通向碳中和的未来新途径，赵杨东等人提出了氢信用的概念，并建立了一个类似于国际市场碳信用的氢信用交易框架，分析了氢信贷框架的可行性和效率，展示了全球氢信贷市场的巨大潜力。

国际绿氢贸易网络正处于初步形成阶段，与之相关的可再生能源制氢技术、氢气的大规模储运也还处在研究阶段，最近几年也取得了一定的进步，未来的前景被一致看好。因此，本文在“碳中和”的国际背景下，深入研究了国际绿氢的海上供应网络，可为未来绿氢的规模化贸易提供参考。

5 结论

对于可再生能源电解水制氢以及氢气的运输方面的理论研究有很多，但是，由于技术的限制，现实中的应用非常少。对绿氢进行跨国贸易的研究较少，可以说较为空白。因此，本文针对以上问题，得出如下结论：

1）绿氢的生产、运输成本测算有待优化。

2）绿氢海上供应网络模型有待建立。

3）绿氢海上供应网络的发展趋势有待进一步探索。