氢经济下液氢与氨运输的成本效益深度剖析：迈向全球绿色能源转型的关键一步

本文通过构建模型分析液氢（LH2）和氨（NH3）价值链，揭示其成本差异及影响因素，助力氢经济发展。

　　

氢经济发展背景与研究目的

在全球能源转型的大背景下，氢经济成为应对能源危机和实现脱碳目标的关键领域。自 20 世纪 70 年代石油和天然气危机以来，氢经济虽历经多轮发展，但因其技术和经济挑战，一直未能充分发挥潜力。过去十年间，随着脱碳需求的增长，尤其是在难以电气化的重工业、重型运输和航空等 “难减排” 领域，氢作为一种有潜力的能源载体，再次受到广泛关注。

氢的低体积能量密度是其在全球贸易中面临的主要挑战之一。为解决这一问题，研究聚焦于两种主要的 “能量载体”：液氢（LH₂）和氨（NH₃）。然而，目前对于这两种载体在供应链成本方面的研究存在诸多问题，如对绿色氢生产中可再生能源的表征不准确、忽视价值链中设备配置对资本成本的影响、参数数据的不确定性导致价格估计偏差以及敏感性研究方法的局限性等。

本研究旨在构建一个价值链模型，直接解决上述问题，从而为未来国际氢运输成本提供更现实的预测。研究选择从智利到鹿特丹的氢运输路线作为研究对象，因为智利对绿色氢出口表现出战略兴趣，鹿特丹则连接着庞大的欧洲绿色氢进口市场，且该路线被认为是氢生产最具成本竞争力的路线之一。

研究方法

1. 问题陈述与模型构建：研究的优化问题是在给定氢需求、风况、设备成本、融资成本和工艺效率等条件下，确定风电场、电解槽、向量合成过程、存储和运输等环节的最佳配置，以最小化氢的落地成本。模型使用开源优化包 Pyomo 在 Python 环境中构建，借助商业求解器 Gurobi 11.0.0 进行求解。模型包含约 42,400 个连续变量、1,500 个整数变量和 61,900 个约束，经过预求解后有所减少。
2. 模型简化与求解：为提高模型的可处理性，研究采用了多种简化策略。在时间尺度上，通过对航运决策的分层网格定义和对时间序列的聚类分析，减少了模型的时间步长。聚类分析使用了改进的 Ward 分层方法，并采用 medoid 方法将聚类结果简化为标量。此外，通过参数筛选确定了最敏感的参数，减少了敏感性分析的规模。模型求解借助高性能计算（HPC）设施，利用其大量计算核心和内存进行并行计算。
3. 全球敏感性分析：采用基本效应法进行全球敏感性分析，以量化参数不确定性对目标值的影响。在分析过程中，先对参数空间进行归一化和离散化处理，然后通过轨迹采样评估参数扰动的影响。具体来说，从随机确定的起点开始，对每个敏感参数进行单独扰动，计算相邻步骤中目标函数值的差异并归一化，得到每个参数的基本效应。通过多次重复这一过程，生成多条轨迹，从而全面评估参数不确定性的影响。

研究结果

1. 情景分析：研究对八种不同的配置进行了情景分析，涵盖了孤岛式或并网生产系统、在目的地是否转换为氢等多种组合。结果显示，液氢价值链的净能量效率优于氨价值链，尽管氨合成过程的电力需求较低，但由于其在裂解过程中的能量损失以及为满足固定需求信号而需扩大上游设备规模，导致其整体能量效率较低。

在成本方面，当氨无需裂解回氢时，其在任何情景下都比液氢更便宜。然而，在需要气态氢的情景下，两者的成本差异并不明显。此外，研究还发现，去除电网连接对氨价值链模型的影响更为不利，这是因为氨合成和液化过程的调节相对缓慢，难以适应风能的变化。2. 敏感性分析：敏感性分析结果表明，液氢价值链的平准化氢成本（LCOH）受参数不确定性的影响更大，其成本对资本成本相关参数更为敏感，如液化吞吐量等。而氨价值链的成本则对能量效率更为敏感，例如电网能源成本的变化对氨价值链成本影响较大。

通过 Welch's t 检验发现，在目的地生产气态氢的情景下，氨和液氢的平均交付成本在 5% 的显著性水平上没有统计学差异；但在交付纯氨和液氢的情景下，两者的平均成本差异显著。

研究结论

本研究对从智利到欧洲市场的进口氢成本进行了比较分析，得出了更现实的氢成本预测。当终端用户需要气态氢时，没有足够证据表明氨的运输成本比液氢低；但当直接使用氨时，氨的生产和运输成本比液氢低。

此外，研究还发现液氢价值链对资本成本更敏感，氨价值链对能量效率更敏感；液氢价值链受参数不确定性影响较大，氨价值链则受不同情景排列的影响较大。

目前绿色氢技术的成本与欧盟脱碳政策的目标存在差距，但通过对关键参数的研究和开发，有望降低系统成本。未来研究还应考虑太阳能的应用以及参数共敏感性等因素，以进一步优化氢经济的发展策略。

综上所述，本研究为氢经济的发展提供了重要的参考依据，有助于决策者和研究人员更好地理解液氢和氨在能源运输中的成本效益和影响因素，推动全球绿色能源转型的进程。