用于氢能供应链国际贸易的混合整数双层规划方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：A mixed integer bilevel approach for international trade in hydrogen supply chain

　　哈迪·根切利|埃桑·巴尼亚萨迪|马苏德·贾巴尔内贾德土耳其伊斯坦布尔贝西克塔斯，Yildiz技术大学机械工程系，邮编34349摘要随着对氢能需求的增加，预计未来国际氢贸易将会增长。这一事实促使人们需要开发新的氢贸易模型。本文我们提出了一种用于国际氢贸易的新型混合整数双层规划模型。在该模型中，出口氢能的国家扮演领导者角色，而那些氢能生产能力有限的国家则扮演追随者角色。该模型尤其适合进口国用来筛选合适的出口国。由于混合整数双层规划无法直接求解，我们开发了一种分解算法来将其优化求解。我们通过数值实验来验证该模型，并从不同角度分析其优势。首先，该模型能够帮助进口国筛选出更适于国际贸易的出口国，从而缩小寻找氢能供应国的范围。其次，该模型能够识别出哪些国际贸易网络更值得充分利用，进而帮助进口国改善这些网络的稳定性和基础设施。第三，当我们不考虑二氧化碳排放时，发现带有碳捕获与封存技术的小型模块化反应堆在国际贸易中更具经济吸引力。为提升绿色氢能技术（如风能电解技术）的投资吸引力，需要在国际政策及氢能供应链管理中设定更高的碳价。引言氢能正逐渐成为全球向低碳能源体系转型过程中的重要元素[1]。作为一种多功能能源载体，它有望为交通、工业、发电及供暖等多个领域实现脱碳[2]。这些领域约占全球二氧化碳排放量的78%[3]，因此，在这些行业中应用氢能可显著助力减排并缓解气候变化。历史上，大多数工业领域都依赖高碳排放的供应网络，但近年来，这些领域正逐步转向低排放、更可持续的解决方案。正是由于工业供应链的脱碳需求，氢能的重要性日益凸显[4]。在多个行业推动脱碳和清洁能源转型的背景下，氢能需求预计将持续上升。首先，在那些难以电气化的领域，如重工业（如钢铁、水泥、炼油）以及重型运输业（如卡车运输和海运）中，氢能是少数可行的减排方案之一[5]。其次，氢能可作为过剩可再生能源的长期储能介质[6]。此外，氢能还可用于氢涡轮机或燃料电池，为电网提供备用能源或实现能量平衡。第三，尤其是在海洋和航空产业中，人们对氨、甲醇及合成燃料作为能源和运输介质的兴趣日益增加[2]。目前，许多国家都已制定了国家氢能战略（如欧盟、日本、韩国、美国、澳大利亚），大量公共和私人投资正被投入到低碳氢能的生产中[2,7]。值得注意的是，到2050年，为满足日益增长的低碳氢能需求，可能需要数万亿美元的投资[8]。图1展示了从2020年到2050年各行业氢能需求的预期增长趋势。为实现1.5℃的气候目标，需要明智且审慎的投资，以及配套的政府政策，以协调氢能的供需关系。据预测，到2050年，氢能每年可帮助减少多达70亿吨的二氧化碳排放，有望成为全球脱碳行动中的关键组成部分[9]。在更广泛的能源革命背景下，全球氢能的推广正处于关键时刻。尽管面临诸多障碍，氢能产业仍在快速发展，全球范围内已启动超过1400个相关项目。预计到2030年，其中约有1011个项目将实现全面或部分投入运营，总投资额约为5700亿美元。到本世纪末，这一投资规模有望使全球每年生产4500万吨清洁氢能。尤为重要的是，预计这些氢能中约70%将来自可再生能源，其余30%则来自低碳技术[10]。设计和发展氢能供应链涉及诸多复杂的考量与挑战，因为这直接关系到整个流程的成本、环境影响、资源可用性以及能源消耗，因此从一开始就谨慎选择氢能原料至关重要。天然气、煤炭、生物质、水以及甲烷都是常见的氢能原料。选定原料后，还需评估用于生产氢能的能源来源，需综合考虑成本效益、排放水平、技术成熟度以及地理可获得性等因素。潜在的能源来源包括电网电力、太阳能、核能、天然气以及可再生能源[11]。典型的氢能供应链结构如图2所示。低碳氢能需要可再生能源，而这些资源几乎在各个地区都能找到[12]。众多地区具备丰富的能源资源（地理多样性），再加上跨境海上贸易，有望重塑国际能源贸易格局，催生出一类新的能源出口国[13]。同样，那些可再生能源资源匮乏的国家则可能成为新的能源进口国。需要强调的是，随着新兴的全球氢能市场的形成，以及新型出口国和进口国的出现，将有助于提升能源安全，降低供应中断的风险[14]。最近，人们已经开始利用氨等衍生品，为全球可再生能源氢能市场开发氢气全球拍卖机制[15]。不过，必须指出的是，全球氢能市场仍处于起步阶段，各国还需进一步完善相关基础设施及国际贸易政策，因此，开发有助于做出更明智决策的国际贸易模型显得愈发重要。目前已有多种制氢方法被提出[16]。蓝氢是指通过蒸汽甲烷重整或自热重整技术，利用化石燃料（通常是天然气）并结合碳捕获与封存技术来减少二氧化碳排放而制成的氢能。而如果使用环保型能源（如可再生能源）来制氢，则称为绿氢。以可再生能源驱动的水电解法是制备绿氢的首选方法之一，该方法通过电能将水分解为氧气和氢气，是一种清洁、灵活且可扩展的工艺，尤其是当以风能或太阳能等可再生能源为动力时。据预测，未来全球超过85%的氢能将通过可再生能源制得[17]。为了实现2050年的气候目标，电解制氢技术的产能需提升6000倍[18]。从长远来看，得益于技术进步和规模经济效应，电解制氢的总成本有望下降[19]。这样一来，那些拥有丰富可再生能源资源的国家将能够以更具竞争力的成本生产绿氢，这不仅会在生产成本方面带来区域优势，还能长期促进全球氢能贸易的发展。预计到2050年，大约25%的绿氢将用于国际贸易[20]。在全球范围内，这一新的氢能供应链中，有些国家能够生产的氢能超过自身需求，而另一些国家则因种种原因需要大规模进口氢能。虽然国内氢能生产在国家能源战略中起着至关重要的作用，但发展国际氢能贸易也日益重要，有助于平衡不同地区在可再生能源资源、生产成本及需求结构方面的差异。国际氢能贸易指的是氢能或基于氢能的能源载体（如氨、甲醇或合成燃料）的大规模跨境运输。那些拥有丰富可再生能源潜力的国家，如澳大利亚、智利以及中东地区国家，正积极争取成为氢能出口国，而那些国内资源有限的工业化国家，如日本、韩国以及欧洲部分地区，则可能成为主要的氢能进口国[2]。这种不断变化的贸易格局带来了新的地缘政治动态、投资机会以及物流挑战。关于各国之间为获取氢能而达成的双边贸易协议，目前已有约90项，相关信息可见参考文献[21]。然而，要实现大规模的国际氢能贸易，仍面临着诸多挑战。例如，出口国需要决定应重点投资哪种制氢技术，不同的制氢技术在二氧化碳排放量、投资成本及运营成本方面存在差异。与此同时，进口国则需要确定应通过国内有限的产能满足多少氢能需求，以及需通过进口多少氢能来填补剩余需求。进口国还须决定从哪些国家进口氢能，并尽量与那些最有利于自身的出口国达成双边协议。本文通过开发一种新的建模方法，模拟了出口国与单一进口国之间的国际氢能贸易，从而回应了上述问题。出口国与进口国之间的竞争可以通过博弈论中的斯塔克伯格博弈所衍生的双层优化模型来构建。在双层优化模型中，领导者（上层问题）代表出口国群体，而追随者（下层问题）则代表进口国。领导者与追随者之间相互竞争，首先由领导者做出决策，随后追随者会针对领导者的决策做出最优反应。近年来，全球氢能贸易越来越受到关注，相关研究大多集中在识别潜在的进口国和出口国、评估可行的贸易路线，以及分析其对全球能源转型的影响等方面。决定进出口格局的一个关键因素是不同地区的氢能生产成本差异[22]。由于澳大利亚、中东、非洲和南美洲等地拥有丰富的太阳能和风能资源，这些地区常被视为潜在的氢能出口地[23]。不过，这些地区扩大氢能生产的能力可能会受到诸多限制，包括可再生能源的成本和可获得性等。尽管可再生能源技术的价格正在下降，但目前仍缺乏足够严谨的分析，来探讨不同氢能生产成本情景会对贸易流向产生何种影响。此外，管道运输和海上氢能运输工具等运输方式也会显著影响贸易潜力及生产成本[24]。虽然氨和液氢等载体因各自独特的优势和技术限制，成为长途运输的首选，但重新利用现有的天然气基础设施进行氢气混输，也可能提供成本较低的运输方案[26]。为了确定可行的贸易路线，必须将运输物流以及供需区域的评估结合起来。例如，连接欧盟和北非的管道网络就是一个战略性的氢能进口通道，该通道得益于当地的可再生能源潜力以及现有的天然气基础设施[27]。预计未来氢能需求将主要通过输配管道得到满足[28]。同样，澳大利亚和南美洲等地区向日本、欧盟等能源进口国输送氨气，也可能成为跨大陆贸易的一种方式[29]。尽管近年来的研究已经开始将氢能交易纳入能源系统模型中，但往往只是简单地将氢能视为一种低成本投入，未能充分考虑其对区域生产及转型进程的更广泛影响。随着运输成本的下降以及贸易的全球化程度提高，氢能对区域及全球能源系统的影响将会越来越大。因此，要准确评估氢能贸易未来对全球能源转型的潜在影响，就需要对其有更全面的了解，而不能仅局限于区域视角或过于简化的成本假设。Almansoori等人[30]提出了一种通用模型，用于优化氢能供应链的日均成本，其中包括生产、储存和运输费用。这一概念最初在英国的一个案例研究中作为静态问题被应用。随后，他们将研究扩展到多期框架[31]，纳入了多种原料，并考虑了氢气消费随时间的变化。Almansoori等人[32]进一步开发了德国交通行业氢能供应链的模型，以2030年为时间节点，并考虑了排放限制因素。Zhang等人[33]则构建了一个用于能源转型的可再生资源投资模型，该模型是一种多时域随机混合整数线性规划模型，用于综合规划投资、改造及废弃能源系统。Guler等人[34]也开展了另一个关于氢能供应链的案例研究，采用了多期模型。Wu等人[35]评估了氢气加注站多种运营模式的成本效益，包括氢气供应技术和运输距离等因素。该研究通过年度化成本和平均化成本模型分析，得出在1000公里以内的运输距离中，管道运输最为经济；而270公里以内的距离则适合使用长管拖车运输。那些采用管道或液氢运输车的场外加注站能够实现最低的氢气平均成本，而由于能源成本较高，现场电解法则不太具有经济可行性。该研究强调了氢气供应规模、运输距离以及社会折现率对氢气加注站经济可行性的影响，为未来氢能基础设施的发展提供了参考。Lebrouhi等人[36]则从技术和地缘政治角度分析了国际氢能贸易的情况，探讨了各国在大规模氢气生产方面的战略。Chen等人[37]评估了港口为氢能贸易所做的准备情况。他们的研究结果表明，目前液氢、氨、甲醇以及液态有机氢载体都是适合国际贸易的氢气形态。Eicke等人[38]则从多个标准出发，分析了各国在新兴氢能市场中的贡献与角色。他们的研究显示，全球范围内氢气生产和市场领导地位分布并不均衡。Antweiler等人[39]基于长期合同构建了国际氢能贸易模型，并通过分析多种情景，确定了对新兴氢能市场影响最大的因素。Yap等人[40]收集并分析了多个国家的专家观点，强调了在向氢能经济转型过程中国际合作的重要性。还有些研究从氢气进口/出口的角度分析了不同国家的情况。可再生能源被认为是决定各国是成为氢气进口国还是出口国的关键因素。日本和德国等国有着雄心勃勃的氢能投资计划，但其可再生能源资源相对有限[41,42]，因此这些国家被视为未来的氢气进口国。例如，有研究指出日本会从澳大利亚[43]、智利[44]、阿根廷[45]以及南非[46]进口氢气。同样，也有研究显示德国会从葡萄牙[47]以及其他出口国进口氢气[48,49]。Peterssen等人[50]强调德国应增加国内氢气生产，以减少对进口的依赖。Choi等人[51]则研究了澳大利亚向韩国出口液化绿色氢气的情况，分析了相关成本，并探讨了气化损失率及运输因素对成本的影响。还有些研究聚焦于欧洲内部的氢气贸易。例如，Seck等人[52]基于成本优化方法构建了模型，旨在利用绿色氢气实现欧洲能源系统的去碳化。为了实现欧洲的绿色目标，Frischmuth等人[53]模拟了多种氢气来源方案，以平衡进口与国内生产之间的关系。此外，Steinbach等人[54]研究了氢气市场设计标准及相关法规，旨在构建高效的氢气交易体系。他们对多个欧洲国家进行了分析[55,56]，发现爱尔兰、挪威和西班牙具备成为区域氢气出口国的潜力。Nunez-Jimenez等人[56]指出，尽管欧洲国家可以实现氢气自给，但如果从邻国进口氢气，总体成本还可能进一步降低。现有文献中也对中国在国际氢能贸易中的角色进行了分析，探讨了其优势与面临的挑战[57]。有多篇研究论文分析了与国际氢能贸易相关的生产和运输成本。Franzmann等人[23]指出，在太阳能资源丰富的地区，如非洲和中东，存在着巨大的生产机会和成本优势。此外，拉丁美洲的智利和阿根廷也被认为是氢气生产成本最低的地区[58]。Brandle等人[59]则评估了其他那些凭借具有竞争力的生产成本而有望推动全球氢能贸易发展的地区。Makepeace等人[60]指出，绿色氢气可以通过多种介质进行远距离运输。他们构建了一个技术经济模型，分析了15条主要区域路线之间的国际氢气贸易情况，这些路线涵盖了澳大利亚、亚洲和欧洲等地。Johnston等人[61]认为，无论采用何种生产方式，氢气运输成本在现有文献中都未受到足够重视。他们提出了一个新的模型，用于计算以不同形态运输氢气到各目的地的成本，这将有助于相关方准确评估这些成本。Schuler等人[62]则进行了另一项关于氢气运输成本的研究，分析了不同文献中报道的运输成本差异。尽管关于氢能经济的文献众多，但很少有研究运用数学规划方法来建模氢气贸易。Alanazi等人[63]构建了一个建模框架，用于研究国际氢气贸易在满足需求方面的作用。他们采用了混合整数线性规划模型来模拟市场均衡状态，并最大化社会福利。混合整数线性规划也被用来建模国际氢气贸易，其目标是最小化成本和环境影响[64,65]。此外，该方法还被用于寻找能够最小化生产和运输成本的最佳国际进口与国内生产组合[66]。在这些研究中，国际氢气贸易都是通过单层规划模型来构建的。不过，实际上也可以基于斯塔克伯格博弈采用双层规划方法来对国际氢气贸易进行建模。斯塔克伯格博弈是一种序贯的领导者-追随者博弈，其中一名玩家（领导者）先行动并确定策略，另一名玩家（追随者）则观察后选择最优应对策略。在氢气国际贸易中，出口商扮演博弈中的领导者角色，而进口商则扮演追随者角色。我们所提出的国际氢气贸易双层模型是一种创新方法，据我们所知，这是氢能经济领域首个此类模型。本文的其余结构如下：第2节将阐述本研究所采用的斯塔克伯格博弈框架；第3节会对所提模型进行概念性介绍；第4节则是模型的具体构建方式；第5节会介绍用于最优求解该模型的方法；第6节为数值实验部分；第7节则为本文的结论。