《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Future hydrogen demand in Europe’s steel and chemical sectors: A site-specific assessment
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研究人员通过厂址级建模（site-specific modelling）量化了欧洲钢铁与化工部门的未来氢需求。在基线情景（baseline scenario）下，到2050年欧洲工业氢需求达到每年315 TWh。其中，初级钢铁（primary steel）占模
研究人员通过厂址级建模（site-specific modelling）量化了欧洲钢铁与化工部门的未来氢需求。在基线情景（baseline scenario）下，到2050年欧洲工业氢需求达到每年315 TWh。其中，初级钢铁（primary steel）占模拟工业氢需求的81%。氢需求在地理上高度集中，到2050年仅德国即达139 TWh/年。技术采用（technology adoption）在很大程度上取决于氢价、能源价格、基础设施接入（infrastructure access）以及工厂经济性（plant economics）。
在欧洲推进气候中和（climate neutrality）及落实《欧洲绿色协议》（European Green Deal）与"Fit for 55"一揽子计划的背景下，能源密集型工业部门的深度脱碳成为实现中长期减排目标的核心挑战。钢铁与化工产业因其高能源需求、大量工艺相关排放以及对欧洲价值链的战略重要性，被视为工业脱碳的关键难点。尽管电力部门脱碳已取得显著进展，工业仍贡献了欧盟约20%的温室气体排放。这两个部门对化石燃料具有强依赖性，工艺技术要求特殊，且投资周期漫长，现有资产往往持续运行数十年，形成碳锁定（carbon lock-in）效应。与此同时，两部门预计将成为低碳氢（low-carbon hydrogen）的重要消费领域：在初级钢铁生产中，氢基直接还原联合电弧炉炼钢（hydrogen-based direct reduction followed by electric arc furnace, HDR-EAF）被广泛认为是深度脱碳最具前景的路径之一；在化工领域，氢既是能量载体也是原料，对氨、甲醇及高价值化学品（high-value chemicals, HVC）的生产至关重要。
然而，氢基技术的未来部署仍面临高度不确定性，其竞争力取决于氢价、电价、碳价、资本成本及基础设施可用性等多种相互作用因素。工业生产的空间异质性进一步加剧了转型复杂性：不同厂址在技术组合、产能规模、设备年龄、区域能源价格及氢基础设施接入条件方面存在显著差异，导致相同技术在不同地点和不同时间可能呈现完全不同的经济吸引力。现有工业能源模型多在部门或国家层面进行汇总，难以充分捕捉厂址层面的异质性投资决策；同时，许多模型依赖专有数据集，透明度与可重复性不足。尽管近期研究逐步引入了空间与工艺细节，但将厂址级投资决策与动态演变的氢基础设施显式关联的研究仍然有限。
为应对上述不足，研究人员扩展了开源框架FORECAST-Sites，开发了FORECAST-Sites Extended模型。该模型通过整合厂址级工业数据、改进技术采用决策算法，并基于欧洲氢骨干网（European Hydrogen Backbone, EHB）显式表征氢基础设施可用性，对欧洲初级钢铁、氨、甲醇及HVC的氢需求进行了系统的厂址级评估。研究得出核心结论：在基线情景下，到2050年欧洲工业氢需求将达到每年315 TWh，其中初级钢铁占81%，约255.5 TWh；氢需求在地理上高度集中，仅德国到2050年即达139.2 TWh/年。技术采用时序对氢价、能源价格、基础设施接入及工厂经济性表现出高度敏感性。该研究发表于《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》，为识别氢基生产路径具备经济吸引力的条件，以及理解未来工业氢需求的规模与空间分布提供了关键科学依据，对制定差异化的基础设施规划与产业政策具有重要意义。
研究人员采用的关键技术方法包括：基于代理的厂址级模拟模型FORECAST-Sites Extended，在区域、厂址、生产单元与工艺四个层次上运行；动态规划算法通过折现替换链成本（discounted replacement-chain cost）求解最优工艺选择，引入提前切换阈值（early-switching threshold）与再投资阈值（reinvestment threshold）以刻画边际投资决策；氢基础设施成本基于EHB数据显式建模，综合考虑管道距离、连接类型与可用容量；能源价格通过动态因子模型（dynamic factor model）生成以捕捉跨国电力与天然气价格的共同波动；工业数据来源包括Global Iron and Steel Tracker（全球钢铁追踪数据库）、Global Chemicals Inventory（全球化学品清单）、EU ETS（欧盟排放交易体系）排放数据及European Hydrogen Backbone（欧洲氢骨干网）基础设施数据等开放数据库。
基线情景（Baseline scenario）
在基线情景中，模型设定碳价从2015年8 �/tCO
2线性升至2050年168 �/tCO
2，氢价基于EHB走廊中等成本轨迹，θ与η均取5%，氢管道连接限距为100公里。结果显示，工业氢需求在2030年代保持温和，但一旦大型初级钢铁资产转向HDR-EAF，需求急剧攀升。到2050年，总氢需求达315.2 TWh/年，且转型呈现高度不均衡的厂址级特征。
钢铁（Steel）
通过基线情景模拟，初级钢铁产量从2025年约84.3 Mt/年温和降至2050年75.4 Mt/年。投资呈两阶段路径：2030至2040年代初主要为BF-BOF（高炉-碱性氧气转炉，Blast Furnace-Basic Oxygen Furnace）增量改造；氢基础设施可及后迅速转向HDR-EAF，年度投资在2045-2046年达峰值72-77亿欧元/年。受网络约束，2050年仍有约2.3 Mt/年BF-BOF (R)存续。HDR-EAF到2050年达73.1 Mt/年。煤炭消耗从347 TWh降至23 TWh，氢需求升至255 TWh，电力需求达56 TWh。直接排放从约154 Mt CO
2/年降至12 Mt CO
2/年，呈现延迟但压缩式的转型特征。
氨（Ammonia）
基线情景显示，氨产量从2025年12.1 Mt/年收缩至2040年7.0 Mt/年。投资早期集中于SR-HB（蒸汽重整-哈伯法，Steam Reforming-Haber-Bosch）改造，2040年代初转向H
2-HB（氢-哈伯法，Hydrogen-Haber-Bosch），年度投资在2043年达峰值0.6亿欧元/年。网络约束使0.41 Mt/年SR-HB (R)存续至2050年。H
2-HB到2050年达6.6 Mt/年。天然气原料从67 TWh降至2.4 TWh，氢原料升至43 TWh。排放从13.2 Mt CO
2/年降至1.3 Mt CO
2/年，表明氨部门可在网络可及条件下实现大部分氢替代。
甲醇（Methanol）
甲醇产量在2025至2050年间维持2.33 Mt/年不变。投资分两阶段：2020年代末SR-MP（蒸汽重整-甲醇合成，Steam Reforming-Methanol Production）改造，2030年代中德国主力装置转向H
2-MP（氢-甲醇合成，Hydrogen-Methanol Production），年度投资2037年达峰值0.25亿欧元/年。H
2-MP生产成本从861 �/t降至2050年515 �/t，推动完全转换。天然气原料降至零，氢原料达16.3 TWh。排放从2.7 Mt CO
2/年降至0.3 Mt CO
2/年，呈现紧凑的基础设施使能转换路径。
高价值化学品（HVC）
HVC产量从2025年20.6 Mt/年降至2030年17.9 Mt/年后保持稳定。投资完全集中于NAPH-SCR（石脑油蒸汽裂解，Naphtha Steam Cracker）改造。H
2-MTO（氢-甲醇制烯烃，Hydrogen-Methanol to Olefins）因资本密集度极高（约1190 �/t，对比NAPH-SCR (R)约200 �/t）且电力与氢原料需求巨大（21.1 GJ/t与68 GJ/t）而未被采用；即使到2050年其成本仍达1555 �/t。石脑油原料从243 TWh降至211 TWh后稳定，排放从33 Mt CO
2/年降至29 Mt CO
2/年，显示氢接入并未诱导燃料切换。
氢需求与管道投资（Hydrogen demand & pipeline investment）
总氢需求从2040年22.8 TWh/年跃升至2045年135.1 TWh/年和2050年315.2 TWh/年。到2050年，钢铁贡献255.5 TWh/年（81%），化工59.7 TWh/年。德国是最大单一市场（139.2 TWh/年）。累积管道投资3.06亿欧元，84%集中于2039-2044年。捷克与立陶宛因大型单一厂址连接成本极高，而德国虽需求最大但管道投资相对温和，表明基础设施挑战取决于大型负荷与管道路径的空间重合程度。
敏感性分析（Sensitivity analysis）
碳价情景：碳价升至2050年300 �/tCO
2时，主要加速脱碳时机（如HDR-EAF在2045年产量升至72.9 Mt/年），但2050年终点变化有限。
氢价情景：低氢价使氨部门H
2-HB采用显著提前；高氢价推迟并削减氢基路线。HVC基本不受影响，即使在低氢价下H
2-MTO仍无法与NAPH-SCR (R)竞争。
碳氢价格组合情景：低碳价与高碳价组合使2050年总氢需求达353.8 TWh/年，并在HVC中诱导1.1 Mt/年H
2-MTO采用（占6.2%），但NAPH-SCR (R)仍占主导。
电力与天然气价格情景：低能源价格维持既有路线；高能源价格使氨部门H
2-HB在2045年升至7.25 Mt/年，但导致钢铁部门产能下降而非简单转向氢基路线。
经济压力增加情景：再投资阈值η从5%提至10%后，边际氢切换经济性不足（成本降幅7%-9%低于阈值），导致钢铁2050年产量降8.8 Mt/年、甲醇降1.2 Mt/年，脱碳投资转为产能退出。
讨论部分强调，氢基转型路径在钢铁与化工各部门间存在显著差异。基线情景下，氢需求高度集中于少数部门、国家与厂址。初级钢铁与氨是最可能早期大规模采用氢的领域，但钢铁氢需求应理解为对现有初级资产脱碳的需求，而非循环钢铁体系的总需求，因模型未内生化废钢-EAF扩张。化工部门呈现分化：氨可基本完全转换为H
2-HB；甲醇结果的稳健性取决于可持续碳源的可获得性，因模型未内生化可持续碳供给；HVC是主要异常值，H
2-MTO因高资本密集度与原料需求在基线中未被采用，即使联合优惠碳氢价格也仅在少数厂址具备竞争力。敏感性分析表明，价格假设主要影响转型时机与规模，主导技术排序相对稳健。高碳价主要作为时机工具；氢价在接近平价时加速采用；更严格的竞争阈值使边际脱碳投资转为产能退出，这暗示在高能源与氢成本下，欧洲可能进口氢密集型中间品而非实现全面国内转型。基础设施作用决定性但空间不均：累积管道投资相对温和但高度集中，国家氢需求单独来看是不完整的基础设施挑战指标，大型工业负荷、管道路径、连接距离与再投资时机之间的空间重合度至关重要。
本研究表明，欧洲未来的工业氢需求并非简单的部门汇总，而是空间异质性投资决策的结果。通过在厂址与生产单元层面建模，研究人员证明工厂年龄、再投资时机与氢基础设施接入强烈影响氢吸收的时间与地理分布。在所考虑的以氢为中心的技术组合内，氢需求在模拟期间大部分时间保持温和，但一旦大型初级钢铁资产在经济性与基础设施可及性上具备切换条件，需求便急剧上升。因此，转型呈现块状、厂址特定性与集中于有限工业区域的特征。研究同时表明，氢在不同工业过程中是一种高度不均衡的脱碳选项：在初级钢铁与氨中，一旦基础设施接入与价格条件足够有利，氢基路线可成为主导的低碳替代方案；对于甲醇，其可行性额外取决于合适碳输入的可获得性；而在HVC生产中，通过MTO路线的氢使用在基线中未被采用，仅在联合优惠的低氢价与高碳价条件下在少数厂址具备竞争力。这些发现对工业政策具有重要意义：将氢视为难减排工业的通用解决方案，可能掩盖成本结构、原料需求与基础设施依赖方面的工艺级差异。
