面向碳中和的綠氫跨國貿(mào)易文獻(xiàn)綜述

李 智

（華北電力大學(xué)， 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(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》的1.5 ℃溫控目標(biāo)，各國都做出了努力，發(fā)展低碳清潔的綠色能源，以降低溫室氣體的排放量，達(dá)成能源綠色轉(zhuǎn)型的目標(biāo)[1]。2020 年，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上發(fā)表重要講話，提出要加快形成綠色發(fā)展、生活方式，建設(shè)生態(tài)文明和美麗地球。中國將提高國家自主貢獻(xiàn)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(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。碳中和成為了全球共同努力與行動的方向。

在實(shí)現(xiàn)碳中和的過程中，運(yùn)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(fā)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(yīng)用廣泛，受到了普遍的關(guān)注，有望在交通、工業(yè)和建筑等高碳排放行業(yè)的碳中和實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)揮重要的作用。根據(jù)氫能生產(chǎn)來源和制造過程中的排放情況，分為灰氫、藍(lán)氫以及綠氫。灰氫是指是通過化石燃料制取的氫氣，在生產(chǎn)過程中會有CO2等排放。藍(lán)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(shù)，碳排放強(qiáng)度相對較低，但捕集成本較高。目前，有研究表明，通過CCUS 技術(shù)降低溫室效應(yīng)的作用微乎其微[2]。綠氫指的是采用風(fēng)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(guī)模發(fā)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(yīng)的15%以上。一些行業(yè)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(mào)易將由經(jīng)濟(jì)和地緣政治因素決定，這種貿(mào)易的一個關(guān)鍵驅(qū)動力將是可再生能源的分配。可再生能源資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(chǎn)成本，并將其出口到可再生能源資源較為稀缺且氫氣生產(chǎn)成本較高的國家。當(dāng)前，氫氣供應(yīng)鏈中的主要成本包括生產(chǎn)成本、中間儲存成本、液化成本（或轉(zhuǎn)化成本，取決于氫氣載體）和運(yùn)輸成本。盡管新興“可再生能源出口國”生產(chǎn)綠色氫的成本預(yù)計(jì)在未來10 年內(nèi)將與化石制氫達(dá)到同等水平，但氫的運(yùn)輸成本仍將是氫出口國及其潛在競爭對手的關(guān)鍵因素，并取決于承運(yùn)人和運(yùn)輸路線的性質(zhì)。

本文對國際綠氫供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行分類整理，主要包括對國際能源貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)的研究、可再生能源制氫的研究、氫氣大規(guī)模運(yùn)輸方法的研究以及國際綠氫貿(mào)易的研究等。

1 國際能源貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)

目前，對于氫氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)研究的現(xiàn)實(shí)案例較少，因此，主要參考在國際貿(mào)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(xiàn)。Alexandre 等人將連接預(yù)測與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，將各個國家與其出口的產(chǎn)品鏈接起來，預(yù)測了未來各個國家的產(chǎn)品出口情況。Ji 等人構(gòu)建了一個全球石油貿(mào)易核心網(wǎng)絡(luò)，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析石油貿(mào)易的整體特征、區(qū)域特征和穩(wěn)定性，將全球石油貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)分為三個貿(mào)易集團(tuán)，包括“南美—西非—北美”貿(mào)易集團(tuán)、“中東—亞太地區(qū)”貿(mào)易集團(tuán)和“前蘇聯(lián)—北非—?dú)W洲”貿(mào)易集團(tuán)。梅強(qiáng)等人利用船舶軌跡數(shù)據(jù)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，分析了2018—2020 年液化天然氣海上運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)演化趨勢，結(jié)果表明，“一帶一路”國家貿(mào)易參與度強(qiáng)，中北美、南亞和東南亞地區(qū)的進(jìn)口港數(shù)量和進(jìn)口航次數(shù)增長尤為明顯，中國的液化天然氣進(jìn)口貨量規(guī)模發(fā)展迅速，海上運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)流向趨于多元，但澳大利亞仍占據(jù)主要來源地位。Yang 等人應(yīng)用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分析來研究全球原油流動的地理分布及其演變，發(fā)現(xiàn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)的多極化導(dǎo)致能源貿(mào)易呈現(xiàn)集團(tuán)化的趨勢，主要包括美國—中南美洲—中東—非洲、俄羅斯—?dú)W盟—中亞里海地區(qū)以及東亞—東南亞—中東—非洲等多個貿(mào)易集團(tuán)。肖建忠等結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和社會網(wǎng)絡(luò)分析方法，通過對比分析2004—2019 年國際天然氣貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)在全球天然氣貿(mào)易網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，日益凸顯出天然氣國際貿(mào)易相對集中的三大區(qū)域：歐洲貿(mào)易區(qū)、亞太貿(mào)易區(qū)和北美貿(mào)易區(qū)。楊宇指出，隨著可再生能源的發(fā)展，中國與全球能源互動邏輯從單純的油氣貿(mào)易轉(zhuǎn)變?yōu)樯婕翱稍偕茉聪嚓P(guān)產(chǎn)品的貿(mào)易，憑借制造業(yè)優(yōu)勢，互動范圍從油氣富集的國家和地區(qū)拓展到全球擁有可再生能源發(fā)展和裝機(jī)需求的國家，形成了覆蓋全球主要國家和地區(qū)的可再生能源貿(mào)易新格局。中國的海外能源投資目標(biāo)從有限數(shù)量的東道國擴(kuò)展到歐洲、東南亞等國家和地區(qū)，投資業(yè)務(wù)不僅局限在油氣領(lǐng)域，也擴(kuò)大到太陽能、風(fēng)能和水能等可再生能源發(fā)電項(xiàng)目及電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

煤炭、石油和天然氣等化石能源，其形成過程與自然相關(guān)，是古代生物經(jīng)過長時間的演化轉(zhuǎn)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(mào)易網(wǎng)絡(luò)與其分布的范圍具有很強(qiáng)的相關(guān)性。而氫氣作為一種綠色的二次能源，其供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)與經(jīng)濟(jì)、地緣政治及可再生能源分布等因素息息相關(guān)。隨著綠氫貿(mào)易的發(fā)展，國際能源貿(mào)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(jié)合，實(shí)現(xiàn)全過程的零碳排放。進(jìn)行大規(guī)模制氫的方式主要有：電解水制氫、生物質(zhì)能制氫和熱化學(xué)循環(huán)制氫。本文主要研究的是以海上風(fēng)電、陸上風(fēng)電以及太陽能光伏發(fā)電為電力來源的電解水制氫。

2019 年，我國氫氣產(chǎn)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(chǎn)量為2 124 t，占我國氫能產(chǎn)量的64%。工業(yè)副產(chǎn)氫制氫產(chǎn)量為710 萬t，占我國氫能產(chǎn)量的21%。天然氣制氫產(chǎn)量為460 萬t，占我國氫能產(chǎn)量的14%。電解水制氫產(chǎn)量僅約為50 萬t，占比不足2%。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2020）》預(yù)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(fā)展可再生能源制氫，不僅可以實(shí)現(xiàn)本地可再生能源的有效消納，也是綠色轉(zhuǎn)型的重要途經(jīng)，可以顯著降低碳排放，有巨大的規(guī)模化潛力。

2.1 海上風(fēng)電制氫

風(fēng)力發(fā)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(fēng)速和更一致的風(fēng)，這意味著海上風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生更高的能量，但同時海上風(fēng)電制氫技術(shù)也面臨重大挑戰(zhàn)。目前，海上風(fēng)電制氫有兩種系統(tǒng)配置。第一種系統(tǒng)配置由海上風(fēng)電場、海上電解槽和陸上儲氫設(shè)施組成。與第一種相比，第二種系統(tǒng)配置的區(qū)別在于電解槽位于岸上。對于第一種系統(tǒng)，風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力短距離傳輸?shù)诫娊獠燮脚_，在那里生產(chǎn)、壓縮氫氣并通過管道輸送到岸邊。對于第二種系統(tǒng)，電力通過傳統(tǒng)電纜傳輸?shù)桨渡希谀抢锟梢灾苯酉螂娋W(wǎng)出售電力或生產(chǎn)氫氣，這被稱為混合系統(tǒng)。運(yùn)營商可以控制出售給電網(wǎng)和送入電解槽的電量，甚至可以在極低電價期間從電網(wǎng)購買電力來生產(chǎn)氫氣，從而提升電網(wǎng)運(yùn)營商的負(fù)載靈活性。由于為電解槽供電的電力來源是風(fēng)電場，因此，在制氫過程中不會產(chǎn)生碳排放。董輝等人提出了一種利用氫能代替風(fēng)電進(jìn)行遠(yuǎn)海能量輸送的策略，通過電解制氫技術(shù)，將電能就地轉(zhuǎn)化為氫能，并建設(shè)輸氫管道將氫氣輸送至陸地，海上風(fēng)電耦合制氫可以實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電的就地消納，降低了電力的運(yùn)輸成本，減少了風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成的影響，同時，也促進(jìn)了能源的清潔化發(fā)展。

2.2 陸上風(fēng)電制氫

與海上風(fēng)電制氫不同的是，在建造陸上風(fēng)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(chǎn)進(jìn)行了研究。如果塞阿拉州巨大的太陽能和風(fēng)能資源轉(zhuǎn)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(huán)境將得到更好的保護(hù)。郭岳等人研究了中國巨大的風(fēng)能存儲系統(tǒng)模型，同時調(diào)研了當(dāng)?shù)鼐用駥τ诮ㄔO(shè)風(fēng)電項(xiàng)目的接受程度。研究指出，在建設(shè)風(fēng)電場時，應(yīng)考慮擬建風(fēng)電場的規(guī)模、擬建場址的具體地理特征以及公眾關(guān)注的問題。Mohammed 等人考慮將混合風(fēng)能和可再生氫系統(tǒng)結(jié)合起來，以確保提供穩(wěn)定的100%可再生能源。盡管可再生氫的儲存機(jī)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(huán)境友好的潛力。

2.3 太陽能光伏發(fā)電制氫

太陽能光伏耦合制氫技術(shù)促進(jìn)了能源的清潔化發(fā)展，通過利用光伏發(fā)電產(chǎn)生的棄電、廢電，擴(kuò)大氫氣的生產(chǎn)量，進(jìn)而降低氫氣的生產(chǎn)成本。目前，光伏發(fā)電和電解水制氫技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的商業(yè)化發(fā)展。但是，光伏制氫耦合系統(tǒng)現(xiàn)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(zhì)子交換膜水電解直接耦合系統(tǒng)的分析模型，為后續(xù)技術(shù)的運(yùn)行以及優(yōu)化創(chuàng)造了理論基礎(chǔ)。劉傳亮等人通過分析國內(nèi)光伏耦合制氫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對寬功率光伏耦合制氫技術(shù)的運(yùn)行效果和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價，根據(jù)我國西北地區(qū)的特點(diǎn)提出了適合光伏耦合制氫技術(shù)示范的技術(shù)路線。由于能夠利用棄光、棄電，與上網(wǎng)后制氫相比，大規(guī)模光伏離網(wǎng)制氫的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較好。

3 氫氣的大規(guī)模儲運(yùn)

在氫能的全產(chǎn)業(yè)鏈中，氫在儲運(yùn)環(huán)節(jié)的成本占比高達(dá)30%，是關(guān)鍵的一環(huán)。因此，要實(shí)現(xiàn)綠氫的海上供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，離不開氫氣的大規(guī)模儲運(yùn)。目前，氫氣的大規(guī)模運(yùn)輸?shù)闹饕问接幸簯B(tài)氫運(yùn)輸、與液體有機(jī)物結(jié)合運(yùn)輸和合成氨運(yùn)輸。

3.1 液態(tài)氫運(yùn)輸

低溫液態(tài)儲氫具有能量密度大、體積密度大和加注時間短等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行海上運(yùn)輸，專用的液氫駁船裝載有較大容量的液氫儲罐，運(yùn)載能力大、能耗低，適合于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。目前，船運(yùn)的液氫儲罐最大容積可達(dá)到1 000 m3。2022 年，日本川崎重工業(yè)公司制造的全球第一艘液化氫運(yùn)輸船，帶著第一批澳大利亞氫氣成功運(yùn)抵日本，實(shí)現(xiàn)了世界首次液氫運(yùn)輸。這一事件轟動了全球能源界，被認(rèn)為是一個里程碑事件，意味著全球大規(guī)模氫貿(mào)易的開端。徐長安將液氫與液化天然氣的特性進(jìn)行對比分析，根據(jù)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(hù)等關(guān)鍵方面進(jìn)行研究，得出適合液氫關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)，并就制約因素進(jìn)行了分析，可為后續(xù)液氫船的設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。

3.2 液態(tài)有機(jī)物運(yùn)輸

O.Sultan 和M.Shaw 在1975 年首次提出利用可循環(huán)液體化學(xué)氫載體儲氫的構(gòu)想，開辟了新型儲氫技術(shù)的研究領(lǐng)域。液態(tài)有機(jī)物儲氫技術(shù)（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(jī)物和氫氣的可逆反應(yīng)、加氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的儲存（化學(xué)鍵合），借助脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的釋放，質(zhì)量儲氫密度在5%～10%，儲氫量大，儲氫材料為液態(tài)有機(jī)物，可以實(shí)現(xiàn)常溫常壓運(yùn)輸，方便安全。袁勝楠等人通過綜述LOHC 技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展中存在的問題，提出改進(jìn)方向，以期推動該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，加速氫能的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

3.3 合成氨運(yùn)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(qiáng)度為研究參數(shù)，以液氫和氨兩種氫能儲運(yùn)方式為研究對象，選取合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算并搭建運(yùn)輸鏈，繪制出各條運(yùn)輸鏈的能流圖，對兩種運(yùn)輸方式進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，氨（不裂解）運(yùn)輸鏈運(yùn)輸?shù)綒W洲和中國的能量效率分別是41.6%和33.6%，高于液氫運(yùn)輸鏈的37.65%和33.38%，而氨（裂解）運(yùn)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(guān)者評估通過不同路線運(yùn)輸各種形式氫氣的成本，包括液態(tài)氫、氨、液化天然氣、甲醇和液態(tài)有機(jī)氫載體形式的氫運(yùn)輸。以鹿特丹—澳大利亞航線為例，計(jì)算得出成本最低的是合成氨運(yùn)輸，運(yùn)輸價格為0.56 美元/kgH2。

4 國際綠氫貿(mào)易

全球貿(mào)易的跡象正在顯現(xiàn)，2020—2021 年，有80多個與全球氫或氨貿(mào)易相關(guān)的項(xiàng)目或合作公告。根據(jù)這些公告，最活躍的潛在進(jìn)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(mào)易在很大程度上在區(qū)域市場上發(fā)展，歐洲的主要貿(mào)易伙伴是北非和中東，澳大利亞主要供應(yīng)亞洲市場。拉丁美洲的區(qū)域內(nèi)市場很重要，同時，也出口到歐洲。國際氫貿(mào)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(jīng)濟(jì)體提供多樣化的機(jī)會，為擁有大量可再生資源的國家在全球能源格局中發(fā)揮更突出的作用，為擁有技術(shù)的國家提供開發(fā)新設(shè)施的專門知識。還為進(jìn)口國提供了使供應(yīng)商多樣化和向低排放過渡的機(jī)會。這些關(guān)系將由現(xiàn)有的伙伴關(guān)系和聯(lián)盟、雙邊關(guān)系以及氫工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r等因素來界定。規(guī)模化是限制氫經(jīng)濟(jì)增長的主要挑戰(zhàn)之一，特別是運(yùn)輸綠色氫的高昂成本阻礙了國際貿(mào)易和更廣泛地采用氫來實(shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)。為了探索全球氫經(jīng)濟(jì)的激勵機(jī)制，開發(fā)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(mào)易網(wǎng)絡(luò)正處于初步形成階段，與之相關(guān)的可再生能源制氫技術(shù)、氫氣的大規(guī)模儲運(yùn)也還處在研究階段，最近幾年也取得了一定的進(jìn)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)，可為未來綠氫的規(guī)模化貿(mào)易提供參考。

5 結(jié)論

對于可再生能源電解水制氫以及氫氣的運(yùn)輸方面的理論研究有很多，但是，由于技術(shù)的限制，現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用非常少。對綠氫進(jìn)行跨國貿(mào)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(jié)論：

1）綠氫的生產(chǎn)、運(yùn)輸成本測算有待優(yōu)化。

2）綠氫海上供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型有待建立。

3）綠氫海上供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢有待進(jìn)一步探索。