巴西米纳斯吉拉斯州绿色氢气生产潜力的详细评估：技术、环境与社会维度

《Hydrogen》：Detailed Assessment of Green Hydrogen Production Potential in Minas Gerais, Brazil: Technical, Environmental and Social Aspects

　　

随着能源需求的增长以及对环境影响的关注，绿色氢气已成为通向清洁且可靠能源未来的主要替代方案之一。鉴于太阳辐照等资源禀赋丰富，巴西展现出成为这一可再生燃料主要潜在供应方之一的条件。因此，本研究旨在对巴西在太阳能潜力方面最具代表性的州之一——米纳斯吉拉斯州——的氢气生产潜力进行详细评估。研究人员采用三种不同方法，对该区域853个市镇逐一开展潜力评估，结果表明，该州可生产2365.2 TWh电力，或47.3 MtH₂/year（不同方法间最大差异为3.4%），几乎相当于欧盟2030年预测氢气进口需求的5倍。然而，当仅考虑坡度低于8%的区域时，该估算值显著下降：土地可利用性减少40%，氢气生产潜力减少18.8 Mt/year。另一方面，将功率密度由4提高至15 MWh/km²几乎可使氢气生产潜力增加近3倍，而电解槽效率提升同样对氢气产出具有积极影响。最后，将氢气潜力与人类发展指数（HDI）数据进行比较表明，生产力最高的若干中观区域往往与较低的人类发展水平相重合，尤以“Norte de Minas”和“Jequitinhonha”中观区域最为突出，这凸显了将能源转型与区域发展目标相协调的机会。因此，面向这些区域的定向投资有望创造就业、提高收入并减少不平等，从而强化绿色氢气兼具环境驱动与社会驱动的双重作用。

该文发表于《Hydrogen》，围绕巴西米纳斯吉拉斯州绿色氢气生产潜力开展了州域尺度、空间显式且兼顾技术—环境—社会维度的综合评估。研究背景在于，氢并非一次能源，而是可由电力系统制取的能量载体；在全球能源需求持续增长、减排压力不断强化的情势下，以可再生电力驱动电解水制氢的绿色氢气，正被视为支撑低碳能源体系的重要路径。与此同时，太阳能光伏（PV，photovoltaic）技术在全球范围内快速扩张，巴西凭借丰富的太阳辐照资源和不断增长的光伏装机，具备发展大规模绿色氢气的现实基础。尽管既有研究已对多个国家和地区的制氢潜力进行估算，但多数工作仍依赖粗粒度空间数据、简化的土地可利用性假设，或采用较为一般化的系统性能参数，难以在统一框架中同时纳入土地利用约束、环境保护边界及社会经济指标，尤其在巴西这类地域广阔、空间异质性显著的地区，地方差异及发展机会往往被低估。基于此，研究人员选择米纳斯吉拉斯州作为研究对象，对其853个市镇逐一评估，试图在更高空间分辨率和更一致的方法体系下，给出更贴近实际的绿色氢气生产潜力图景，并分析其对区域发展和能源规划的意义。

在方法上，研究人员构建了一个涵盖土地、太阳能资源、电力转换和社会指标的综合分析框架。首先，基于公共可信地理空间数据，识别并剔除各类限制区域，包括自然保护单元（UCs）、私人自然遗产保护区（RPPN）、原住民土地、Quilombola社区、城镇建成区、水体以及采矿活动区域；随后在地理信息系统（GIS，geographic information system）平台QGIS中完成空间叠置、几何修正和面积核算，得到各市镇可用于光伏开发的土地面积。研究进一步纳入地形坡度条件，按中观区域统计坡度等级，并将0–20%坡度作为基准可开发范围。之后，采用三种方法估算发电潜力：方法1使用全州平均峰值日照时数（PSH，peak sun hours）；方法2使用各市镇太阳辐照数据；方法3依据各市镇全球倾斜面辐照推算容量因子（CF，capacity factor），并结合性能比（PR，performance ratio）评估发电量。在制氢环节，研究假设使用质子交换膜（PEM，proton exchange membrane）电解槽，电耗取50 kWh/kgH₂，对应66%低位热值（LHV，lower heating value）效率；同时评估水需求，并将制氢潜力与人类发展指数（HDI，human development index）进行空间关联分析。样本队列来源为米纳斯吉拉斯州全部853个市镇。

研究首先在“Statewide Area Calculations”部分对全州可开发空间进行了系统核算。结果显示，米纳斯吉拉斯州总面积为586,513.99 km²。其中，环境限制区约占全州面积近7%，约39,000 km²，主要由以生物多样性保护为目标的保护单元构成；原住民与Quilombola相关限制区域约2,500 km²。在土地利用/土地覆被（LULC，land use and land cover）限制方面，城市建成区、水体及矿业特许区域合计约20,000 km²，约占州域面积3.5%，其中矿业区域占比最高，约为42%。在综合剔除各类限制条件后，全州总限制面积为59,163.55 km²，现有光伏电站已占用面积为95.41 km²，最终可利用太阳能资源面积（ARDSOL）为527,255.02 km²。按照4 MW/km²的有效光伏功率密度估算，该州可用太阳能潜力达到1582.19 GW，其中Norte de Minas和Triangulo Mineiro/Alto Paranaíba等中观区域表现最突出。这一结果表明，研究区在土地资源层面具备支撑大规模光伏制氢部署的基础。

在“Electricity Generation Potential”部分，研究人员分别应用三种方法估算发电潜力，并比较其差异。方法1基于全州平均太阳辐照，采用《米纳斯吉拉斯太阳辐射图集》给出的平均值5.5 kWh/m²·day，即PSH为5.5 h/day，并考虑光伏系统平均总损失23%，由此给出初步的理论发电与制氢估算。方法2则按市镇尺度精细化处理辐照数据，识别出Juvenília和Manga为太阳辐照最高的市镇，均为6.00 kWh/m²·day，其次是Januária和Miravania，均位于Norte de Minas。全州平均太阳辐照为5.19 kWh/m²·day，而最低值出现在Liberdade，仅为2.93 kWh/m²·day。基于各市镇面积与辐照的组合，方法2估算米纳斯吉拉斯州光伏发电潜力为2428.3 TWh，与方法1的偏差仅为0.7%。方法3进一步引入容量因子这一更贴近实际运行的指标，结果显示Juvenília和Manga的平均CF最高，均为18.75%；按中观区域看，Noroeste de Minas与Norte de Minas平均CF最高，均为17.83%，Central Mineira次之，为17.38%。使用方法3计算，全州总发电潜力为2365.2 TWh，与方法2相比绝对值差异为2.6%。研究指出，方法2基于太阳辐照并采用固定损失率，而方法3通过CF整合了太阳辐照、系统损失和技术性能比，因此更能代表真实工程情境。

在“Green Hydrogen Production Potential in Minas Gerais”部分，研究基于上述发电量推算绿色氢气产量。三种方法对应的年产氢结果分别为48.91 Mt、48.57 Mt和47.30 Mt，方法间最大偏差不超过3.4%。研究据此认为，即便较粗略的州级平均数据也可用于理论估算，但将方法逐级细化并应用至全部853个市镇后，能够验证关键假设并显著提高结果精度。在最终采用的代表性方法3下，米纳斯吉拉斯州年制氢潜力为47.3 MtH₂，几乎达到欧盟2030年可再生氢进口需求的5倍，显示其在巴西乃至国际绿色氢供应格局中的潜在战略地位。研究还绘制了各中观区域及其高潜力市镇的分布，表明高潜力区主要集中于太阳辐照较强且可用面积较大的北部和西北部区域。

在“Analysis and Discussion”部分，论文重点开展了三类敏感性分析。其一为坡度约束分析。基准情形采用0–20%坡度范围；当将可开发阈值收紧至0–8%时，可利用太阳能面积减少约40%，氢气产量相应由47.31 Mt/year降至28.54 Mt/year，减少18.77 Mt/year；而当放宽至45%时，几乎全部技术上可利用的土地均可纳入，制氢潜力约增加27%。这一结果直接说明地形适应性是决定地面式光伏制氢部署规模的重要因素。其二为电解槽效率分析。研究将PEM电解槽单位制氢电耗在40–60 kWh/kgH₂之间变化，结果表明，在40 kWh/kgH₂的乐观情景下，氢产量可较50 kWh/kgH₂基准提高约25%，反映出材料、催化剂及系统效率进步对于绿色氢经济性和规模化扩展的关键意义。其三为功率密度分析。尽管州内大型光伏电站的平均功率密度约为40 MW/km²，研究为兼顾其他土地利用需求而采用4 MW/km²作为基准，并考察1、2、6、8、10、15、20和25 MW/km²等情景。结果呈近线性变化：当功率密度提高至15 MW/km²时，氢气产量约可达到基准情景的2.75倍。由此可见，土地配置策略与光伏布设强度将深刻影响州域绿色氢产能边界。

论文还特别强调了水资源和社会维度。就水需求而言，尽管PEM电解的理论化学计量需水量约为9 L kg^?1 H₂，研究考虑纯化、运行损失和平衡系统（balance-of-plant）需求后，采用17.5 L kg^?1 H₂。在47.3 Mt H₂ year^?1的产量水平下，对应年耗水量为0.83 km³ year^?1，仅占研究所参考流域年可更新淡水资源量的0.4%，说明在该部署情景下，水资源总体上不太可能成为制约因素。社会层面上，研究将各中观区域制氢潜力与按人口加权的人类发展指数相比较，发现高产氢潜力区域往往与较低HDI重叠。Norte de Minas以12.66 Mt H₂的潜力居首，而HDI仅0.67；Jequitinhonha为3.07 MtH₂，HDI为0.63；Vale do Mucuri为0.80 Mt H₂，HDI为0.65。这说明在欠发达区域布局绿色氢基础设施，可能兼具能源转型与社会发展双重收益。相对而言，Triangulo Mineiro/Alto Paranaíba和Metropolitana de Belo Horizonte既具较高HDI，也有较好制氢能力，因此在现有基础设施和劳动力条件下更适合较快实施。研究据此提出，技术潜力与社会指标的叠加分析，可为更公平、包容的绿色氢战略规划提供支撑。

综合讨论部分，论文认为三种方法虽然在结果上差异不大，但随着参数细化程度提高，评估的稳健性和现实代表性明显增强。尤其是方法3，将局地辐照、系统损失及性能比统一纳入CF计算，最适合作为公共政策、投资决策和能源规划的依据。论文同时指出，即使技术参数仅有小幅调整，在米纳斯吉拉斯这样的大尺度地域上也会放大为数百万吨氢气的产量差别，因此持续改进潜力估算模型十分必要。研究也明确提示，若要真正实现文中测算的全部潜力，仍需要在电解槽部署、储运物流、液化基础设施、港口能力和国际认证等方面进行大规模投入，并依赖政策制定者与利益相关方的强力支持。

研究结论部分可译为：本研究基于太阳能资源可获得性以及光伏与电解系统的关键技术参数，估算了巴西米纳斯吉拉斯州的绿色氢气生产潜力。研究采用了三种逐步精细化的方法学路径。第一种方法使用全州范围的一般太阳辐射数据和平均参数；第二种方法引入市镇尺度太阳辐射数据，提供了空间分辨率更高的估算；第三种也是最精细的方法，将局地太阳辐射与各市镇特定容量因子（CF）相结合，从而得到更准确的发电性能评估。结果表明，仅使用州级平均数据即可形成理论估算，但将方法逐一应用于全部853个市镇，有助于验证假设并提升结果精度。方法3显示，该州可实现2365.2 TWh电力生产，对应年产47.3 Mt氢气，接近欧盟2030年预测氢气进口需求的5倍。尽管三种方法精细程度不同，其结果差异较小，最大仅为3.4%，这增强了研究发现的稳健性，并凸显米纳斯吉拉斯州在可再生氢生产中的关键地位。敏感性分析进一步表明，土地坡度、电解槽效率和功率密度对产量具有重要影响。例如，当坡度约束由0–20%收紧至0–8%时，可用土地面积约减少40%，氢气产量由47.31 Mt/year下降至28.54 Mt/year；而将功率密度由4提高至15 MWh/km²，则几乎可以使总产量提升近3倍。这些发现强调，需要依据区域条件和技术创新趋势调整技术部署策略。此外，在社会层面，将制氢潜力与HDI数据整合后发现，产氢能力最高的中观区域往往与较低的人类发展水平重叠，尤其体现在Norte de Minas和Jequitinhonha地区。这种重叠表明，能源转型可以与区域发展目标协同推进。针对这些区域开展定向投资，有望创造就业、提升收入并缩小不平等，从而强化绿色氢气兼具环境与社会双重驱动的作用。在这一背景下，米纳斯吉拉斯州不仅可定位为技术领先者，也可成为包容性与可持续能源规划的示范。