导读：近期，拜登政府发布首个《国家清洁氢战略和路线图》，确定美国在清洁氢能源领域降低成本、扩大供需以及加强跨行业整合的关键战略。氢能经常被誉为“终极环保能源”，它的应用范围几乎遍及所有经济部门，并且理论上可以实现零碳零污染。氢能因为面临成本和技术两大难题，一直未能成为清洁能源的主流，然而，在能源转型的确定性未来中，发展氢能已经成为共识。二十余个国家纷纷出台氢能战略和路线图，其中，日本、韩国、中国均属于起步较早的国家。在氢能产业爆发式增长的前夜，有必要对氢能发展的价值链构建方向以及氢贸易的地缘政治影响作出全面分析。 首先，本文结合了对目前主流制氢技术的分析，总结了建设氢能价值链所需要面对的五个抉择：制氢技术、储运方式、应用范围、制氢地点、用氢地点。其中，前三个抉择主要涉及技术方面，后两个抉择则涉及地缘政治维度。不同的抉择会塑造不同的氢能价值链，而每条价值链又会产生各自的赢家与输家。于是，氢能价值链的路线之争将成为各利益相关方的斗争焦点。
其次，跨境海上氢贸易可能从根本上重划全球能源贸易的地理格局，创造新的能源出口国类别，并重塑地缘政治关系和国家联盟。如果大规模氢贸易出现，就会出现新的国家间依赖关系；如果氢能发展的路径给化石燃料生产商提供了生存机会，那么能源转型的利益与行为体格局将发生变化；各国间的技术与地缘经济竞争也可能愈演愈烈。 2022年，中国颁布《氢能产业发展中长期规划》，明确了氢能作为国家未来能源体系重要组成部位的地位。在电解槽生产这个可再生能源电解水制备绿氢的关键环节上，中国仍然具备广阔的降本增效空间。这也让西方开始担忧中国将复刻光伏产业和电动汽车产业的成功。未来，氢能源有可能成为像石油一样搅动地缘格局的商品。本文为欧亚系统科学研究会“关键产业创投生态”系列编译成果，文章原刊于Energy Research & Social Science，仅代表作者观点。文｜Thijs Van de Graaf, etc.
翻译｜邱镜霖
来源｜Energy Research & Social Science
▲ 2023年6月，美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆宣布美国《国家清洁氢战略和路线图》。图源：互联网
将氢能作为清洁能源解决方案的想法曾经历过数次不利开局，但目前这一次或不同以往。可再生能源电力成本的大幅下降与电解槽成本的预期下降加强了绿氢的商业论证。作为一种不排放二氧化碳的能源载体，氢不仅可以帮助难以减排的经济部门脱碳，还能为可再生电力提供储存与长途运输的方案，这些驱动因素给氢能在政治上与商业上的发展带来了新势头。澳大利亚、法国、德国、日本、韩国和挪威近期发布了国家氢能战略，二十国集团、国际能源署、国际可再生能源署以及其他论坛也都在讨论氢能。日本于2020年初从文莱接收了第一批液氢，而另一条从澳大利亚出发的航运线路也计划在几个月内开通。氢成为国际贸易商品的可能性越来越大。在20世纪50年代末，从美国出发的“甲烷先锋”号将一批液化天然气运抵英国，自此开创了液化天然气的国际运输先河，而此次首批液氢运抵日本也很可能成为具有同样重要意义的历史事件。与此同时，天然气市场缓慢且不完全的全球化进程给那些寄期望于氢贸易快速扩张的人提供了重要的经验教训。要发展清洁氢的全球市场，就必须克服一些障碍：成本仍需降低，基础设施也必须扩大，而且氢必须出产于更清洁的来源——这既包括可再生电力，也包括配备碳捕获、利用或储存技术（CCUS）的化石燃料。目前，仍有99%以上的氢是由未减排的化石燃料生产的，因此留下了大量碳足迹。然而，影响全球氢市场的形成的不止技术与经济因素，一直被忽略的地缘政治动态也会形塑可能出现的氢能经济，而氢能经济反过来也会影响地缘政治的变迁。有关能源转型地缘政治的新兴研究主要关注太阳能与风能部署的增加促使终端使用部门电气化所带来的影响，而氢能就成为了研究中的盲点。地缘政治问题只是氢能转型所带来的一系列更广泛的社会科学研究问题的其中之一。根据氢的获取来源、处理方式、运输方式与最终用途的不同，支撑氢能经济的技术与基础设施也显著不同。从政治经济学的角度来看，每条不同的价值链都会创造各自的赢家与输家。因此，选择扩大生产规模的特定路径不仅是成本和技术效率的问题。价值链中各利益相关方的斗争与冲突将塑造全球氢市场的建立，并影响能源转型的节奏。这场地缘政治游戏的赌注很高。截至2050年，氢能有望满足全球24%的能源需求，每年的氢销售额可达7000亿美元，同时还会有数十亿美元用于终端设备的支出。然而，如果没有适当的干预，放任氢能经济发展可能导致国际市场分裂、碳锁定与激烈的地缘经济竞争。加强国际合作有助于规避这些风险，并打造一个流动的、运作良好的全球氢市场。在国际框架中协调认证与法规、降低投资风险、支持研发，提供2030年与2050年氢能在能源转型中如何发挥作用的路线图，这些举动都会给氢能带来积极影响，使其在起跑线上大步超越天然气。
长期以来，氢被誉为清洁能源的一块重要拼图。它是宇宙中最轻也是最充足的元素。但氢在地球上很少以纯净态存在，它通常会和其他元素化学结合在一起，最明显的例子就是水分子（H2O）。一旦将氢从其化合物中释放出来，它就可以通过燃料电池转化为电力，也可以通过燃烧产生热量或能量，还可以用作原料。当氢在发动机中燃烧或在燃料电池中与氧结合时，其产生的副产品只有水蒸气，不会产生或排放其他污染物。氢能的应用范围很广，几乎遍及运输业、工业到建筑业等所有部门。在高温制热、工业、空间采暖、为高里程运载工具以及飞机和船舶提供动力，以及为电网提供季节性储能的这些方向上，国际能源署认为氢基燃料有着重要机遇。值得注意的是，氢不是一种能源，而是一种能源载体。就像电力一样，它需要使用其他能源来生产。目前，氢主要由天然气（“灰氢”）和煤炭（“黑氢”）产生，只有很少一部分是由配备碳捕获技术的化石燃料（“蓝氢”）或可再生能源驱动的电解（“绿氢”）产生（作者注：其他制氢的方式包括热解生产“绿松石氢”与核氢生产“紫氢”，这些方法也面临着各自的经济与地缘政治挑战）。将可再生电力通过氢转化为气体、液体、热能、化学原料等其他能源载体是一个被称为“电转X”（Power to X, PtX或P2X）的过程。氢的每种“下游衍生物”（例如合成甲烷、合成柴油、甲醇、氨）都有自己的价值链。氢通过这些转换有可能实现“部门耦合”，即连接能源系统的不同部分。一些技术与经济上的限制阻碍了氢能的发展，包括氢气的易爆性、单位体积能量密度低、对金属的脆化作用以及由此导致的生产、储存与运输基础设施的昂贵成本。因此，以往的热情并未转化为持续的投资或政策支持。从2008年到2018年，全球范围内在氢能方面的政府支出下降了约35%。然而，深度脱碳在缺乏某种形式的“气候中性分子”（沼气、氢气、合成燃料等）的情况下是很难实现的。仅依靠电气化难以有效遏制长途运输、化工与冶金等行业的排放。效率提升、新材料、循环经济与行为改变确实有助于降低难以减排部门的能源总需求，例如用高速铁路替代短途航空旅行可以减少对喷气燃料的总需求。但建模显示，要成功过渡到零碳能源系统仍需要一种新形式的绿色气体或燃料。因此，氢气及其衍生燃料，如甲醇、乙醇和氨，可能就是能源转型中的“缺失环节”。此外，廉价可再生能源的快速扩张可以同时降低氢能的成本与碳排放量。创建全球清洁氢市场就需要创建全新的价值链。包括进出口能源的政府、可再生电力供应商、工业气体生产商、电力公司、汽车制造商、石油和天然气公司、航运公司，以及重要港口城市在内的利益相关方们激烈斗争与冲突的焦点就是具体路径如何选择的问题。表1中的一些路径涉及在氢生产、处理以及应用环节的不同技术选择，这些技术选择可能会促使部分行业参与者相互竞争，如电动车制造商与燃料电池制造商。其他路径则主要涉及不同生产与消费地点的选择。由于这些地理维度具有地缘政治特点，将在下一节予以探讨。本节将讨论在扩大氢市场规模时选择生产、储运与应用三个主要技术的困境。| 关键路径 |
| 由什么来源制氢？ | 蓝氢还是绿氢？ |
| 在哪里制氢？ | 国产还是进口？ |
| 如何储运氢？ | 纯氢还是氢衍生物？ |
| 氢的用途是什么？ | 部分应用还是氢能社会？ |
| 在哪里消耗氢？ | 出口还是工业化？ |
▲ 可供选择的氢价值链路径
首先，目前氢价值链的生产环节由化石燃料主导。在一个去碳化的世界中，未来制氢的路径之争将主要在蓝氢和绿氢间展开。虽然两条路径生产的都是完全相同的化学物质（H2），但它们在能源基础设施与工业方面却有十分不同的配套组合。蓝氢支持天然气开采、运输、加工以及CCUS行业。绿氢则需要廉价的电解槽，并且可以通过减少限制、解决消极定价问题以及减少建设额外电力传输能力的昂贵需求（尤其是海上风能），来促进可再生能源投资。选择任何一条路径都充满困境：鉴于目前化石燃料制氢的规模与成本优势，不采用蓝氢就不可能开发成熟的清洁氢基础设施。在许多国家，使用电网电力制氢会产生比不使用CCUS技术的蒸汽甲烷重整制氢（即灰氢）更多的排放。然而，蓝氢的生产并不是碳中立的（因为生产蓝氢不可能捕获所有碳排放或消除上游甲烷泄露的所有风险），并且它可能锁定碳密集型的发展轨迹与基础设施（因为它需要继续开采天然气）。另外，蓝氢依赖碳捕获技术，而目前此类技术的部署进程极为缓慢，且往往与强化采油技术相结合，这最终会产生更多的碳排放。其次，氢在储运环节既可以采取纯净形式（H2），也可以转化为其他分子，如合成甲烷、甲醇、费托（Fischer-Tropsch, FT）液体碳氢化合物（如柴油、汽油、煤油和润滑油），或氨。每个方案都有其优缺点。纯氢只能以一定程度上混合在现有的燃气分送网中，并需要对用户端的锅炉、烤箱、炉子和仪表进行改装；合成甲烷就不需要这些改装，它可以直接注入燃气管网；合成柴油可以通过产品邮轮运输，并在普通港口卸货；甲醇和氨可以用散装化学品液货船运输。然而，合成甲烷、甲醇和费托合成物需要一个二氧化碳源。氨虽然是无碳化合物（NH3），但它的储存和运输可能带来安全问题，因为它有剧毒。最后，氢目前为止主要作为化学原料应用于工业中，尤其是应用在石油精炼与氨生产中。氢在未来也有可能作为一种多功能的能源载体输入天然气网络、用于载具燃料电池、转换为其他合成燃料或电网用电。日本希望成为世界首个“以氢为基础的社会”，并设想了氢的广泛应用。然而，纯电动车的燃料生命周期效率（Well-to-Wheel Efficiency）整体约为70%-90%，氢燃料车的燃料生命周期效率则只有25%-35%。纯电动车的这一转换效率又仅为内燃机的25%-40%。于是，支持氢价值链的发展可能有牺牲更高效价值链的风险。此外，锁定效应的风险也在于此。例如，在天然气管道中掺氢有助于减少建筑物中基于天然气的供暖与烹饪的排放，但其本身并不导致零排放。这种做法也可能减缓电炉、热泵的普及以及转化为氢专用管道的进程。
氢价值链的扩张带来了艰难的权衡与困境。降低总成本就需要对氢基础设施的投资，但在缺乏稳定供需的情况下进行投资又是有风险的。在“错误”路径上下注的国家、公司与城市有可能遭遇重大损失，而获得技术领导地位的行为体将获得巨大收益。各公司与国家还需面临另一组抉择，这组抉择的技术相关性不高，但与制氢、用氢的地理位置相关：工业化国家需权衡大规模进口与国产氢的成本与效益，而拥有丰富资源可生产廉价氢的国家可以大量出口氢，或用氢来吸引钢铁等“下游”产业。总之，这使我们考虑到了氢的三个地缘政治影响：如果行为体选择了大规模氢贸易，就会出现新的国家间依赖关系；如果氢能发展给化石燃料生产商和现有企业提供了生存空间，那么能源转型的利益与行为体格局将发生变化；各国间的技术与地缘经济竞争可能愈演愈烈。氢能目前仍是本地化程度很高的产业，约85%的氢都是就地生产、消耗的，其中大部分都发生在炼油厂。为扩大生产规模，工业化国家可以在国内建立氢工厂，或从可再生（或化石）能源丰富的国家进口氢。对于欧盟或日本这样的主要经济体来说，从拥有相对廉价且丰富的可再生能源的地区进口绿氢，可能有助于降低能源转型的成本以及大规模部署可再生能源带来的国内资源（海洋与陆地空间）压力。然而，这种跨境海上氢贸易可能会在各国间带来新的依赖关系并引发不同以往的海上运输风险。因此，氢可能会重塑全球能源贸易的地图并创造新的出口国。日、韩等国预计将大规模进口氢，澳大利亚、智利与新西兰等国的氢战略则侧重于出口潜力，新的贸易联系可能因此出现。并且，在取代化石燃料的方面，新的贸易联系可能减轻海上石油咽喉要道（如霍尔木兹海峡）或天然气关键过境国（如直到近期的乌克兰）的压力。与此同时，新航道可能在全球能源贸易地图上变得重要起来。
▲ 各地区不同氢类型的成本（每千克氢的美元价格），其中，日本、欧洲较高，中东、北非、拉美、澳大利亚等地较低。
氢可以通过管道在地理相邻的国家间运输。例如，在西北欧地区，一个长900千米的氢气管道网络连接着荷兰鹿特丹、比利时安特卫普和法国敦刻尔克。世界范围内的氢气管线长度已超过4500千米。德国的天然气管道运营商最近公布了约5900千米的氢气网络建设计划，这将成为迄今为止全球最大的氢气网络。虽然这些区域和地方的网络可以合并成跨区域网络，但迄今为止还没有长距离氢气管道运输的经验。一些国家已经开始进行“氢能外交”。荷兰政府甚至任命了一位“氢能特使”。日本的外交官和工业领域的利益相关者正在就氢燃料的采购与澳大利亚、文莱、挪威和沙特阿拉伯接触。德国已经与摩洛哥签署了关于利用氢制备甲醇的合作协议，韩国把目光投向了挪威，荷兰将葡萄牙视为潜在的氢供应国，比利时工业领域的参与者正在向阿曼和智利寻求大规模的氢进口。如果当前双边合作的趋势持续下去，那么国际氢市场的起步可能会高度碎片化，类似于国际液化天然气市场的早期阶段。最早一批的液化天然气项目受限于僵化的、与石油价格挂钩的长期双边合同，因此有时被称为“浮动管道”。作为液化天然气市场的第一个大买家，日本领导了液化天然气市场的发展，其对大规模进口氢的承诺可能使之再次成为全球市场先驱。氢贸易与原油、天然气贸易的主要区别之一是其较低的不对称性。在技术层面上，世界上几乎所有地方都可以制氢，许多国家可以同时成为氢的消费者与生产者。并且，氢的可储存性使出口国几乎不可能将氢贸易武器化，也使进口国很难受困于少数供应方的卡特尔。然而，氢贸易不具备跨境电力贸易那样的相互性——电力贸易中的电子实际上是根据边境两边的供需情况双向流动的。尽管如此，氢贸易可以为进口国的电力系统提供后备支持，从而提高进口国的能源安全。
▲ 2050年全球清洁氢贸易地图（单位：PJ）。根据《2022 年世界能源转型展望》，2050年绿色氢贸易将超过 1 亿吨，蓝色氢贸易将超过 5000 万吨，其中大约一半将通过管道运输，另一半则通过氨船运输。图源：IREA
各国政府必须管理氢能的地缘经济，而不仅仅是狭隘地关注技术与成本。氢集中生产与配运的潜力使得化石燃料行业中的某些部分有机会被纳入能源转型，这也给石油国家抛出了救生圈。这种潜力或许可以在政治上加以利用，以维持俄罗斯、沙特阿拉伯等石油出口国对《巴黎协定》的最低承诺。中东与北非地区的石油和天然气出口国如今面临的巨大挑战之一是找到经济多样化的方案，以摆脱对油气出口收入的依赖，而氢能也许就是他们的答案。这类国家的优势包括丰富而低成本的太阳能（可用于生产绿氢）、地下储藏碳封存的可能性（若采取蓝氢路线），以及可以同时服务于欧洲与亚洲市场的绝佳地理位置。位于该地区的非石油经济体，如摩洛哥，也可以利用其丰富而低成本的可再生能源。然而，该地区的氢能潜力可能因淡水供应有限而受到影响，于是需要对海水淡化能力进行额外投资，但这反过来又会推高成本。氢能还可以使一些现有产业走向能源转型，从而使脱碳轨迹更加快速与深入。石油与天然气行业对氢能特别感兴趣，因为氢能涉及的（可燃）燃料的生产、运输和分配是他们最熟悉的活动。此外，现有的天然气基础设施可以在一定程度进行改造以适用氢能，这也是为什么现在天然气行业的行为体们支持氢能的原因之一，尤其是天然气管道经销公司。掌控低碳能源技术的价值链对一国的经济竞争力、国家安全与能源独立至关重要。氢能行业的初期推动者可能会将其技术售卖给其他国家。技术领先地位可能出现于氢能价值链的许多方面，包括燃料电池膜、精工储罐、管道材料、燃烧器等。2020年6月，德国宣布将在其后新冠疫情复苏计划中投资90亿欧元扩大氢产能，并努力成为该技术的全球主要供应国。同时，德国电力公司RWE和钢铁制造公司蒂森克虏伯启动了一项合作伙伴关系，以制造绿氢并将其使用于钢铁生产。对技术领导地位的争夺在许多国家和行业都体现得很明显。以汽车行业为例，日本的本田和丰田汽车公司正押注于燃料电池汽车将胜过电池电动车，特别是在续航能力方面。而中国汽车制造商在电动汽车方面取得了重大进展，德国汽车制造商则长期以来一直专注于提高柴油动力内燃机的效率。在许多案例中是公共资金在推动氢能价值链的部署，这使之更成为了地缘经济竞争的领域。这也是为什么欧盟委员会在最近一份关于“欧洲新工业战略”的文件中宣布将很快启动一个欧盟氢能联盟。彭博新能源财经估计，2019年中国的电解槽生产成本已经比西方国家便宜83%，这可能会激起欧美对中国主导另一项关键能源技术的担忧（中国的其他主导地位体现在稀土、太阳能光伏组件制造以及电动车等领域）。
▲ 中国的氢电解槽设备。图源：互联网
洲际氢能产业链的出现也将加剧各国在能源密集型产业选址方面的工业竞争。那些有很大潜力利用本地资源（可再生能源或化石燃料）制氢的国家可能会选择将其氢能价值链扩展到化工、钢铁等能源密集型产业，而不是简单地将氢出口到工业化国家。因此，氢能贸易可能会为大国间的地缘经济竞争增加新的维度。此外，如果发展中国家仅被视作原材料的提供者，那么氢能革命就会有“绿色殖民主义”的风险。
因此，通往一个整合的、运作良好的、清洁的全球氢市场的道路充满了不确定性与风险。氢很容易变得像天然气一样，主要在国家内部流通或根据国家间固定且长期的双边合同被交易。国际治理有助于扩大对氢能价值链的投资，同时抑制市场分裂、碳锁定与新的地缘政治风险的出现。最近，已有超过19个领跑的国家发布了氢能路线图与战略。各国战略在氢能的生产途径、应用与地理方面存在明显差异。为使氢与衍生燃料的碳含量得以确定，现在需要出台相关标准与认证的国际规范。如果氢能要实现碳中和，甚至对二氧化碳的负排放作出贡献（将生物质制氢与碳捕获相结合），那么认证就是其中的关键。同时，国际社会需要就氢能在符合《巴黎协定》的2030年、2040年和2050年全球能源体系中的角色形成一个协调一致的愿景。由于碳锁定的危险与降低投资风险的需要，国际社会需要坦诚讨论逐步淘汰灰氢的问题。理想情况下，一套经国际协议达成的“颜色”证书逐步到期的框架将为2050年之前的过渡铺平道路。为启动氢能经济，“色彩问题”最初可能不得不被忽视。矛盾的是，在目前大多数地区，由于当地的电力组合，蓝氢的碳足迹比电解制氢更低。绿氢的经济性正在提高。从2015年到2019年，碱性电解槽的成本已经下降了40%。电解槽具有类似光伏组件的模块化特点，因此太阳能行业中惊人的成本下降可能会在绿氢产业中重演。绿氢与天然气的竞争在目标设定、研发和补贴方面都需要得到公共支持，尤其是政府将不得不为碳定价。然而，即使绿氢变得比蓝氢便宜（可能是在碳定价的帮助下），在许多潜在应用领域，它仍需与汽油、柴油、船用燃料和煤油竞争，特别是在交通运输方面。
建立国际氢能经济对于实现《巴黎协定》的气候目标可能至关重要，但需要多方共同努力。目前各国的氢能路线图为国家政策制定者提供了重要的评估，但如果将它们串联成区域甚至全球的路线图会更加有用。国家能源安全与产业利益需要与减缓气候变化和确保地缘政治稳定的共同利益相平衡。各国政府在确保政策框架的长期稳定性以及商业环境的活力水平上发挥着关键作用。作为新冠疫情复苏项目的结果，各国本身可能会成为氢能价值链中的参与者。由于没有一个专门的论坛，实现多方合作并非易事。天然气行业的经验表明，国际协调有可能很难实现，更不用说建立一个国际组织。然而，相较于天然气，氢能的优势在于与去碳化以及气候议程相关，有数个国际组织可以为讨论氢能路径和认证作出贡献。国际可再生能源署具备可再生能源和绿氢的专业知识，国际能源署从能源安全的角度研究氢能，而国际原子能机构可以为核氢生产提供见解。国际能源论坛为能源卖家和买家提供了对话平台，这一平台可以扩展到氢能行业。要让这些组织合作就需要巧妙的指引和领导，这可以由作为潜在治理俱乐部的七国集团和二十国集团来完成。消费者间进行合作以建立趋同的监管框架和认证是大势所趋。此外，生产者与消费者的对话也有利于确定逐步淘汰化石燃料与引入氢能的路径。公司和投资者们将再次认真审视氢能的商业案例，并权衡又一次开局不利或错过重大机遇的风险。然而，在本世纪中实现碳中和的目标已成为许多公司或投资方章程的一部分。研究人员与政策制定者需要关注氢能的国际政治。氢的跨境海上贸易有可能重新划定能源贸易的地理构成，创造新的能源出口国，并重塑国际地缘政治与国际联盟。如果各国当局、国际组织、研究人员和公司能够按照这些方向共同努力，那么氢能经济的时机可能确实已经成熟，其地缘政治影响也可以得到管理。*文章原载Energy Research & Social Science，原题为The new oil? The geopolitics and international governance of hydrogen.
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