绿色氢气及其衍生物的空间适宜性研究：基于GIS-AHP框架的评估方法，并考虑了出口认证对绿色氢气产业发展的影响（以智利为例）

《International Journal of Hydrogen Energy》：Spatial suitability for green hydrogen and derivatives: A GIS-AHP framework with export-certification sensitivity applied to Chile

　　安德烈斯·I·卡德纳斯（Andrés I. Cárdenas）| 约瑟法·罗哈斯-阿雷亚（Josefa Rojas-Araya）| 安吉拉·波特斯托克-乌尔图比亚（Angela Pottstock-Hurtubia）| 阿尔瓦罗·瓦尔德拉玛（álvaro Valderrama）| 马塞洛·伊巴拉（Marcelo Ibarra）| 保罗·吉涅兹（Paulo Guí?ez）| 贾维尔娅·萨埃斯（Javiera Sáez）| 曼努埃尔·迪亚斯-罗梅罗（Manuel Díaz-Romero）| 费利佩·迪亚斯-阿尔瓦拉多（Felipe Díaz-Alvarado）
智利大学物理与数学科学学院化学工程、生物技术和材料系
地址：Beauchef大道851号6层西侧，可持续设计与过程系统工程中心，圣地亚哥，8370456，智利大区

**摘要**
本研究提出了一个GIS-AHP框架，用于对智利土地适宜性进行排名，以支持四个绿色氢能价值链项目：氢气及衍生产品的出口、国内氢气生产、工业海水淡化以及非常规可再生能源发电。通过11次专家 pairwise 对比对八个技术经济、基础设施和物理标准（LCOH、容量系数、距离港口的远近、变电站、道路、海岸线、海拔高度和海水淡化潜力）进行了加权处理。对于出口项目，港口距离（40%）和LCOH（32%）是主要影响因素；对于国内项目，LCOH 关键性最高（46%），其次是变电站距离（19%）和道路（17%）。出口项目的适宜性主要集中在少数沿海热点地区，而国内项目的适宜性分布更广，遵循电网布局。环境和城市限制因素导致北部约三分之一、中部大约三分之一以及南部约一半的土地不符合条件。根据欧盟法规2023/1184，安托法加斯塔（Antofagasta）约有一半的变电站具备出口级认证资格，且靠近港口的变电站得分最高。

**引言**
化石燃料的燃烧是人为气候变化的主要驱动力，已经对全球许多地区产生了影响，加剧了极端天气现象的频率和强度[1]。20世纪的快速城市化和工业化导致能源需求大幅增加，这迫切需要从化石燃料能源转向可再生能源[2]。能源安全、环境退化和气候变化之间的相互关联进一步加剧了这些挑战，这些都是关键的全球性问题[3]。在各种潜在的替代能源中，氢气因其有利的环境特性而被视为一种特别有前景的密集能源载体（DEC）[4]。当通过低排放或净零排放方式生产时，氢气和电力都显示出巨大的减排潜力[5]。此外，氢气还是难以实现脱碳的领域中化学品合成的原材料[6]。国际能源署（IEA）将氢气描述为“多功能能源载体”，强调了其在仍高度依赖化石燃料的运输、工业和供暖等领域的广泛应用[7]。通过可再生能源驱动的水电解方法生产的氢气被称为绿色氢气[6]，被视为可再生能源（RE）的载体。尽管绿色氢气在推动清洁能源转型方面具有巨大潜力，但仍存在诸多障碍，这些挑战涉及技术、经济、政治和环境等多个方面。尽管潜力巨大，但目前通过水电解产生的氢气仅占总氢产量的0.1%[3]。为了有效整合绿色氢气到减排工作中，需要进一步的研究来规划和指导大规模氢生产的部署及下游消费。关于土地政策以及大规模绿色氢项目的土地处置影响的明确指导方针仍在研究中，相关知识还存在显著空白。尽管该行业目前规模较小，但预计将呈指数级增长，因此需要进一步的研究。

尽管人们对氢气的角色有共识，但其实际部署进展仍落后于预期目标。2024年全球氢需求接近1亿吨，年增长率约为2%，但低排放氢气在总供应中的比例仍不足1%，年增长率约为10%[8]。项目公告显示，到2030年低排放氢气产量可能达到3700万吨——较一年前的预测4900万吨有所下调——这反映了由于需求不确定性、融资障碍和监管缺口导致的取消和延误[8][9]。如果解决基础设施和融资问题，非洲、拉丁美洲和东南亚这三个新兴供应地区可能贡献约四分之一的2030年低排放氢气供应[8]。

为了准确评估绿色氢产业选址和规划的影响，需要对绿色氢价值链有清晰的概念化理解。本研究定义了一个三步价值链；不过文献中也存在其他方法。
• 绿色氢价值链始于生产阶段，此时利用太阳能或风能等可再生能源为水电解提供动力，从而产生氢气和氧气[10]。
• 生产出的氢气必须运输到最终用户手中，这是价值链的第二部分。
• 最后，终端使用阶段包括在交通、工业流程和能量储存等多个领域应用绿色氢气，从而促进减排[3]。

在能源系统中高效扩大氢气使用规模需要大规模的基础设施部署，以连接生产和需求地点，并进行中间存储。此外，如何以及在哪里生产如此大量的绿色氢气仍不清楚[11]。随着行业的指数级增长，政策必须应对这些不确定性，并设计有效的干预措施，以促进绿色氢气成为能源转型的一部分[12]。本文旨在提供一种透明、可复制的空间决策支持工具，用于筛选和优先考虑大规模绿色氢气部署及相关基础设施规划的候选场地。

正如以往大型能源项目所显示的那样，严格的可持续性和社会标准是确保环境公正的必要条件[13]。然而，绿色氢气的潜在环境影响及其对土地的需求仍需进一步研究[14]。本研究的目标是提出一种方法框架，用于评估适合开发氢价值链的场地，重点关注氢气生产及其衍生产品。评估的关键因素包括工业投入和原材料的获取（如能源生产和水资源）、物流基础设施（如道路连接）以及出口机会（如港口）。

**主要贡献**
1. 提出了一个GIS-AHP适用性框架，能够同时处理绿色氢价值链的四种项目类型（出口、国内消费、工业海水淡化和可再生能源发电），每种类型都有自己的标准集和权重结构。
2. 通过11次专家 pairwise 对比来确定AHP 权重，涵盖技术经济（LCOH、容量系数）、基础设施（距离港口的远近、变电站、道路）和物理（坡度、海拔高度）等多个维度。
3. 将环境和城市限制因素作为二元约束条件（保护区域、优先地点、城市居民区）纳入考量，将筛选问题与适用性评分区分开来。
4. 基于欧盟法规2023/1184的敏感性分析重新塑造了出口格局，根据90%可再生能源竞标区规则对智利各变电站进行了分类。

**应用与验证**
该框架应用于智利案例研究，通过列出所有数据来源、阈值和权重，使研究结果具有可审计性和可复现性。

**能源转型、土地利用和政策框架**
清洁能源转型需要强有力的政治承诺和雄心勃勃的政策。各国政府正在实施可再生能源目标和弹性电力系统等策略，以实现公正的转型。然而，这一转型也受到更广泛的社会经济和环境政策的影响，包括土地使用模式。能源转型依赖于土地使用政策等其他决策过程。

**方法论**
为了正确描述影响绿色氢项目场地适宜性的因素，通过文献研究、公共信息来源和专家意见确定了绿色氢生产过程的价值链。进一步区分了不同类型的项目及其相应的特征标准，并收集了必要的环境信息。图1总结了AHP 得出的权重和GIS 得出的数据层。

**案例研究**
本案例研究应用所提出的方法论，识别智利不同地理和基础设施条件下的适合绿色氢开发的场地。本节展示了多标准分析框架、环境约束和认证要求如何在决策过程中得到整合。

**专家访谈**
表4和表5列出了两类氢价值链中各项标准和子标准的最终权重。对于氢气出口项目，LCOH 和距离港口基础设施的远近是最重要的标准，其次是距离道路的远近和海水淡化潜力（见表5）。对于国内氢生产和消费项目，只有 LCOH 在所有标准中最为关键，而距离和基础设施的可用性相对次要。

**结论**
本研究开发了一种系统的方法论，用于识别适合在大范围内创建绿色氢价值链的场地。通过结合多标准分析、专家判断以及空间、环境和监管/合规约束，该研究解决了平衡能源转型与可持续性和土地利用之间的关键问题。所提出的框架为研究人员和项目开发者提供了支持。

**作者贡献声明**
安德烈斯·I·卡德纳斯（Andrés I. Cárdenas）：撰写——原始草稿、方法论、形式分析、概念化；
约瑟法·罗哈斯-阿雷亚（Josefa Rojas-Araya）：方法论、形式分析、数据整理；
安吉拉·波特斯托克-乌尔图比亚（Angela Pottstock-Hurtubia）：方法论、形式分析、数据整理；
阿尔瓦罗·瓦尔德拉玛（álvaro Valderrama）：可视化、方法论、概念化；
马塞洛·伊巴拉（Marcelo Ibarra）：可视化、方法论、概念化；
保罗·吉涅兹（Paulo Guí?ez）：可视化、形式分析；
贾维尔娅·萨埃斯（Javiera Sáez）：方法论、形式分析；
曼努埃尔·迪亚斯-罗梅罗（Manuel Díaz-Romero）：资源支持；
费利佩·迪亚斯-阿尔瓦拉多（Felipe Díaz-Alvarado）：可视化、形式分析。

**关于生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明**
在准备过程中，作者使用了Grammarly工具来改进语法和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表的文章负全责。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
该研究得到了智利能源部（Ministerio de Energía）的支持，依据“Territorial Strategies - Programa DPS”协议资助。