面向碳中和的綠氫跨國貿易文獻綜述

李 智

（華北電力大學， 北京 100000）

0 引言

長期以來，人類大量消耗以煤炭、石油和天然氣為代表的化石燃料，造成CO2等溫室氣體的排放總量逐年升高。為了實現《巴黎協定》的1.5 ℃溫控目標，各國都做出了努力，發展低碳清潔的綠色能源，以降低溫室氣體的排放量，達成能源綠色轉型的目標[1]。2020 年，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上發表重要講話，提出要加快形成綠色發展、生活方式，建設生態文明和美麗地球。中國將提高國家自主貢獻度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030 年前CO2的排放量達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。碳中和成為了全球共同努力與行動的方向。

在實現碳中和的過程中，運用清潔的可再生能源替代化石燃料成為人們的首要選擇，可再生能源也迎來了巨大的發展前景。氫氣作為一種清潔的可再生能源，原材料來源豐富、熱值高、應用廣泛，受到了普遍的關注，有望在交通、工業和建筑等高碳排放行業的碳中和實現過程中發揮重要的作用。根據氫能生產來源和制造過程中的排放情況，分為灰氫、藍氫以及綠氫?；覛涫侵甘峭ㄟ^化石燃料制取的氫氣，在生產過程中會有CO2等排放。藍氫指的是利用化石燃料制氫，同時配合碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術，碳排放強度相對較低，但捕集成本較高。目前，有研究表明，通過CCUS 技術降低溫室效應的作用微乎其微[2]。綠氫指的是采用風電、水電和太陽能等可再生能源電解制氫，制氫過程完全沒有碳排放，可以從源頭上阻斷CO2的排放，它是推動新能源大規模發展的重要手段。

一些研究表明，到2050 年，氫和氫基燃料的潛力將占全球能源供應的15%以上。一些行業參與者甚至更加樂觀，他們相信，到2050 年，綠色氫可以滿足世界能源需求的25%，每年有11 萬億美元的潛在市場。由此看來，綠氫的市場潛力是巨大的。氫氣的貿易將由經濟和地緣政治因素決定，這種貿易的一個關鍵驅動力將是可再生能源的分配?？稍偕茉促Y源相對豐富且成本較低的國家，可以通過降低電解成本來降低氫氣的生產成本，并將其出口到可再生能源資源較為稀缺且氫氣生產成本較高的國家。當前，氫氣供應鏈中的主要成本包括生產成本、中間儲存成本、液化成本（或轉化成本，取決于氫氣載體）和運輸成本。盡管新興“可再生能源出口國”生產綠色氫的成本預計在未來10 年內將與化石制氫達到同等水平，但氫的運輸成本仍將是氫出口國及其潛在競爭對手的關鍵因素，并取決于承運人和運輸路線的性質。

本文對國際綠氫供應網絡相關的文獻進行分類整理，主要包括對國際能源貿易網絡的研究、可再生能源制氫的研究、氫氣大規模運輸方法的研究以及國際綠氫貿易的研究等。

1 國際能源貿易網絡

目前，對于氫氣供應網絡研究的現實案例較少，因此，主要參考在國際貿易中以煤炭、石油和天然氣等化石燃料作為研究對象的研究文獻。Alexandre 等人將連接預測與復雜網絡方法相結合，將各個國家與其出口的產品鏈接起來，預測了未來各個國家的產品出口情況。Ji 等人構建了一個全球石油貿易核心網絡，利用復雜網絡理論分析石油貿易的整體特征、區域特征和穩定性，將全球石油貿易網絡分為三個貿易集團，包括“南美—西非—北美”貿易集團、“中東—亞太地區”貿易集團和“前蘇聯—北非—歐洲”貿易集團。梅強等人利用船舶軌跡數據和復雜網絡理論，分析了2018—2020 年液化天然氣海上運輸網絡演化趨勢，結果表明，“一帶一路”國家貿易參與度強，中北美、南亞和東南亞地區的進口港數量和進口航次數增長尤為明顯，中國的液化天然氣進口貨量規模發展迅速，海上運輸網絡流向趨于多元，但澳大利亞仍占據主要來源地位。Yang 等人應用復雜的網絡分析來研究全球原油流動的地理分布及其演變，發現能源生產和消費的多極化導致能源貿易呈現集團化的趨勢，主要包括美國—中南美洲—中東—非洲、俄羅斯—歐盟—中亞里海地區以及東亞—東南亞—中東—非洲等多個貿易集團。肖建忠等結合復雜網絡理論和社會網絡分析方法，通過對比分析2004—2019 年國際天然氣貿易網絡關系圖，發現在全球天然氣貿易網絡內部，日益凸顯出天然氣國際貿易相對集中的三大區域：歐洲貿易區、亞太貿易區和北美貿易區。楊宇指出，隨著可再生能源的發展，中國與全球能源互動邏輯從單純的油氣貿易轉變為涉及可再生能源相關產品的貿易，憑借制造業優勢，互動范圍從油氣富集的國家和地區拓展到全球擁有可再生能源發展和裝機需求的國家，形成了覆蓋全球主要國家和地區的可再生能源貿易新格局。中國的海外能源投資目標從有限數量的東道國擴展到歐洲、東南亞等國家和地區，投資業務不僅局限在油氣領域，也擴大到太陽能、風能和水能等可再生能源發電項目及電網等基礎設施建設。

煤炭、石油和天然氣等化石能源，其形成過程與自然相關，是古代生物經過長時間的演化轉變而成的，在世界范圍的分布并不均勻，是某些國家特有的資源。因此，化石能源的貿易網絡與其分布的范圍具有很強的相關性。而氫氣作為一種綠色的二次能源，其供應網絡與經濟、地緣政治及可再生能源分布等因素息息相關。隨著綠氫貿易的發展，國際能源貿易格局將會迎來新的改變。

2 再生能源制氫

可再生能源與氫能結合，實現全過程的零碳排放。進行大規模制氫的方式主要有：電解水制氫、生物質能制氫和熱化學循環制氫。本文主要研究的是以海上風電、陸上風電以及太陽能光伏發電為電力來源的電解水制氫。

2019 年，我國氫氣產量約為3 342 萬t，主要來源于化石能源制氫（煤制氫、天然氣制氫）。其中，煤制氫產量為2 124 t，占我國氫能產量的64%。工業副產氫制氫產量為710 萬t，占我國氫能產量的21%。天然氣制氫產量為460 萬t，占我國氫能產量的14%。電解水制氫產量僅約為50 萬t，占比不足2%。根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2020）》預測，2030年、2040 年、2050 年和2060 年，電解水制氫占比將逐漸提升到10%、25%、45%和70%。因此，發展可再生能源制氫，不僅可以實現本地可再生能源的有效消納，也是綠色轉型的重要途經，可以顯著降低碳排放，有巨大的規?；瘽摿?。

2.1 海上風電制氫

風力發電約占世界電力的5%，大部分安裝在陸上。然而，海上具有更高的風速和更一致的風，這意味著海上風機將產生更高的能量，但同時海上風電制氫技術也面臨重大挑戰。目前，海上風電制氫有兩種系統配置。第一種系統配置由海上風電場、海上電解槽和陸上儲氫設施組成。與第一種相比，第二種系統配置的區別在于電解槽位于岸上。對于第一種系統，風力渦輪機產生的電力短距離傳輸到電解槽平臺，在那里生產、壓縮氫氣并通過管道輸送到岸邊。對于第二種系統，電力通過傳統電纜傳輸到岸上，在那里可以直接向電網出售電力或生產氫氣，這被稱為混合系統。運營商可以控制出售給電網和送入電解槽的電量，甚至可以在極低電價期間從電網購買電力來生產氫氣，從而提升電網運營商的負載靈活性。由于為電解槽供電的電力來源是風電場，因此，在制氫過程中不會產生碳排放。董輝等人提出了一種利用氫能代替風電進行遠海能量輸送的策略，通過電解制氫技術，將電能就地轉化為氫能，并建設輸氫管道將氫氣輸送至陸地，海上風電耦合制氫可以實現海上風電的就地消納，降低了電力的運輸成本，減少了風電大規模并網對電網穩定性造成的影響，同時，也促進了能源的清潔化發展。

2.2 陸上風電制氫

與海上風電制氫不同的是，在建造陸上風電場時，需要考慮附近居民的因素。Sacramento 等人對巴西塞阿拉州的電解水制氫生產進行了研究。如果塞阿拉州巨大的太陽能和風能資源轉化為氫氣，到2060年，大部分溫室氣體和酸雨氣體的排放將歸零。因此，塞阿拉州人民的生活水平將得到改善，環境將得到更好的保護。郭岳等人研究了中國巨大的風能存儲系統模型，同時調研了當地居民對于建設風電項目的接受程度。研究指出，在建設風電場時，應考慮擬建風電場的規模、擬建場址的具體地理特征以及公眾關注的問題。Mohammed 等人考慮將混合風能和可再生氫系統結合起來，以確保提供穩定的100%可再生能源。盡管可再生氫的儲存機制成本高昂，需要較高的資金成本，但是，可再生氫仍具有100%集成和環境友好的潛力。

2.3 太陽能光伏發電制氫

太陽能光伏耦合制氫技術促進了能源的清潔化發展，通過利用光伏發電產生的棄電、廢電，擴大氫氣的生產量，進而降低氫氣的生產成本。目前，光伏發電和電解水制氫技術均可以實現獨立的商業化發展。但是，光伏制氫耦合系統現在仍處在理論研究階段。郭常青等人建立了太陽能光伏陣列與質子交換膜水電解直接耦合系統的分析模型，為后續技術的運行以及優化創造了理論基礎。劉傳亮等人通過分析國內光伏耦合制氫技術的發展現狀，對寬功率光伏耦合制氫技術的運行效果和系統經濟性進行評價，根據我國西北地區的特點提出了適合光伏耦合制氫技術示范的技術路線。由于能夠利用棄光、棄電，與上網后制氫相比，大規模光伏離網制氫的系統經濟性較好。

3 氫氣的大規模儲運

在氫能的全產業鏈中，氫在儲運環節的成本占比高達30%，是關鍵的一環。因此，要實現綠氫的海上供應網絡，離不開氫氣的大規模儲運。目前，氫氣的大規模運輸的主要形式有液態氫運輸、與液體有機物結合運輸和合成氨運輸。

3.1 液態氫運輸

低溫液態儲氫具有能量密度大、體積密度大和加注時間短等優點，其基本原理是將氫氣壓縮冷卻至-253 ℃使其液化，并儲存在低溫絕熱容器中。液氫可以通過船舶進行海上運輸，專用的液氫駁船裝載有較大容量的液氫儲罐，運載能力大、能耗低，適合于遠距離運輸。目前，船運的液氫儲罐最大容積可達到1 000 m3。2022 年，日本川崎重工業公司制造的全球第一艘液化氫運輸船，帶著第一批澳大利亞氫氣成功運抵日本，實現了世界首次液氫運輸。這一事件轟動了全球能源界，被認為是一個里程碑事件，意味著全球大規模氫貿易的開端。徐長安將液氫與液化天然氣的特性進行對比分析，根據兩者的共性以及差異，對液氫在儲存、裝卸、汽化、燃燒和安全保護等關鍵方面進行研究，得出適合液氫關鍵系統設計的技術，并就制約因素進行了分析，可為后續液氫船的設計提供一定的理論指導。

3.2 液態有機物運輸

O.Sultan 和M.Shaw 在1975 年首次提出利用可循環液體化學氫載體儲氫的構想，開辟了新型儲氫技術的研究領域。液態有機物儲氫技術（簡稱LOHC）原理是借助某些烯烴、炔烴或芳香烴等不飽和液體有機物和氫氣的可逆反應、加氫反應實現氫的儲存（化學鍵合），借助脫氫反應實現氫的釋放，質量儲氫密度在5%～10%，儲氫量大，儲氫材料為液態有機物，可以實現常溫常壓運輸，方便安全。袁勝楠等人通過綜述LOHC 技術的現狀及發展中存在的問題，提出改進方向，以期推動該技術進一步發展和工業化應用進程，加速氫能的產業化應用。

3.3 合成氨運輸

劉洪茹等人以從挪威到中國和歐洲兩條路線為例，以能量效率和碳排放強度為研究參數，以液氫和氨兩種氫能儲運方式為研究對象，選取合理的數據進行理論計算并搭建運輸鏈，繪制出各條運輸鏈的能流圖，對兩種運輸方式進行了比較。結果表明，氨（不裂解）運輸鏈運輸到歐洲和中國的能量效率分別是41.6%和33.6%，高于液氫運輸鏈的37.65%和33.38%，而氨（裂解）運輸鏈的能量效率最低，為30.39%和24.83%。Johnston 等人提出了一個開源模型，該模型旨在幫助利益相關者評估通過不同路線運輸各種形式氫氣的成本，包括液態氫、氨、液化天然氣、甲醇和液態有機氫載體形式的氫運輸。以鹿特丹—澳大利亞航線為例，計算得出成本最低的是合成氨運輸，運輸價格為0.56 美元/kgH2。

4 國際綠氫貿易

全球貿易的跡象正在顯現，2020—2021 年，有80多個與全球氫或氨貿易相關的項目或合作公告。根據這些公告，最活躍的潛在進口國是德國、日本和荷蘭，最積極的潛在出口國是澳大利亞。氫貿易在很大程度上在區域市場上發展，歐洲的主要貿易伙伴是北非和中東，澳大利亞主要供應亞洲市場。拉丁美洲的區域內市場很重要，同時，也出口到歐洲。國際氫貿易不僅取決于成本差異，還由地緣政治等因素決定。氫出口可以為石油經濟體提供多樣化的機會，為擁有大量可再生資源的國家在全球能源格局中發揮更突出的作用，為擁有技術的國家提供開發新設施的專門知識。還為進口國提供了使供應商多樣化和向低排放過渡的機會。這些關系將由現有的伙伴關系和聯盟、雙邊關系以及氫工業的發展狀況等因素來界定。規?；窍拗茪浣洕鲩L的主要挑戰之一，特別是運輸綠色氫的高昂成本阻礙了國際貿易和更廣泛地采用氫來實現全球碳中和目標。為了探索全球氫經濟的激勵機制，開發通向碳中和的未來新途徑，趙楊東等人提出了氫信用的概念，并建立了一個類似于國際市場碳信用的氫信用交易框架，分析了氫信貸框架的可行性和效率，展示了全球氫信貸市場的巨大潛力。

國際綠氫貿易網絡正處于初步形成階段，與之相關的可再生能源制氫技術、氫氣的大規模儲運也還處在研究階段，最近幾年也取得了一定的進步，未來的前景被一致看好。因此，本文在“碳中和”的國際背景下，深入研究了國際綠氫的海上供應網絡，可為未來綠氫的規?；Q易提供參考。

5 結論

對于可再生能源電解水制氫以及氫氣的運輸方面的理論研究有很多，但是，由于技術的限制，現實中的應用非常少。對綠氫進行跨國貿易的研究較少，可以說較為空白。因此，本文針對以上問題，得出如下結論：

1）綠氫的生產、運輸成本測算有待優化。

2）綠氫海上供應網絡模型有待建立。

3）綠氫海上供應網絡的發展趨勢有待進一步探索。