《International Journal of Hydrogen Energy》：Technical assessment of cross-border hydrogen network compatibility – impacts of Denmark-Germany trade
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德国能源转型依赖氢能以实现关键部门脱碳，但其国内产量可能不足以满足需求，从而提升了自丹麦进口的相关性。本研究评估丹麦—德国氢贸易如何影响网络兼容性、基础设施适配以及运行可行性。研究将来自 TransHyDE 情景的德国氢需求、产量与进口数据，与基于 Energ
德国能源转型依赖氢能以实现关键部门脱碳，但其国内产量可能不足以满足需求，从而提升了自丹麦进口的相关性。本研究评估丹麦—德国氢贸易如何影响网络兼容性、基础设施适配以及运行可行性。研究将来自 TransHyDE 情景的德国氢需求、产量与进口数据，与基于 EnergyPLAN 情景推导的丹麦出口潜力相结合。研究人员将情景数据转化为空间上与时间上高分辨率的网络边界条件，构建了 2030 年和 2050 年的氢气与剩余天然气拓扑结构，并采用稳态流体动力学模拟评估流量、压力水平、气体流速、储存利用情况以及压缩机需求。结果表明，丹麦进口可成为德国氢供应中具有结构性重要意义的组成部分，而改造再利用的燃气基础设施能够支持早期跨境运输。通过分阶段强化，丹麦—德国互联通道容量可由约 3.3 GWh/h 提升至 9.8 GWh/h，从而为基础设施规划与欧洲氢市场一体化提供支撑。
该文发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，围绕丹麦—德国跨境氢贸易对未来氢能基础设施的技术适配性展开系统研究。研究背景在于，德国能源转型正在将氢能置于工业脱碳、长距离运输、电力系统调节和季节性储能的核心位置，尤其是在高温工业过程、化工原料、航空航运以及长时储能等难以直接电气化的领域，氢能被视为关键能源载体。然而，德国本土可再生制氢潜力预计难以完全覆盖未来需求，因此从资源条件更优的周边国家进口氢气逐渐成为保障供给安全和实现气候中和的重要路径。丹麦因具备较强的海上风电资源、明确的 Power-to-X 战略、现有燃气基础设施以及靠近德国北部需求中心的地理优势，而成为德国潜在氢进口来源中最具代表性的国家之一。与此同时，欧盟层面的氢战略、REPowerEU、跨欧洲能源网络（TEN-E）以及可再生气体、天然气与氢监管框架不断推进跨境氢基础设施建设，但现有研究仍存在若干不足：一是多从欧洲或国家总体尺度出发，缺少针对特定双边通道运行层面的深入分析；二是成本优化与空间规划方法虽能识别潜在通道，却通常不能验证网络在压力、流量与速度约束下是否真实可运行；三是天然气管道改造再利用在跨境场景中的可行性涉及互联容量、压缩机布置、压力制度和跨国成本收益分配等复杂协调问题。因此，开展针对丹麦—德国走廊的高分辨率、流动约束导向的技术评估具有明确必要性。
研究人员据此开展了一个以流动为基础的跨境氢网络评估研究，核心目标并非仅识别氢基础设施“可以建设在哪里”，而是进一步回答“建成后的跨境网络在技术约束下能否稳定运行”。研究综合德国氢需求、供给和进口情景，以及丹麦面向德国的出口潜力，建立空间显式的网络边界条件，并将其映射到德丹两国 2030 年和 2050 年的氢气与剩余天然气高压输送网络中，再通过稳态流体动力学模拟检验不同关键工况下的运行可行性。研究结论表明，丹麦氢出口在 2030—2050 年期间可成为德国氢供应的结构性组成部分；现有天然气基础设施的改造再利用可作为早期跨境输送的低后悔（lower-regret）路径；丹麦—德国互联通道在基础配置下即可实现约 3.3 GWh/h 的输氢能力，若叠加压缩机和额外并行管道等分阶段强化措施，容量可提升至约 9.8 GWh/h。该研究的重要意义在于，为欧洲氢骨干网络（European Hydrogen Backbone）框架下的跨境基础设施规划提供了物理一致、走廊尺度且具备政策关联性的技术证据，同时为监管互操作性、跨境成本分摊和投资时序安排提供了更扎实的工程基础。
研究所采用的关键技术方法主要包括三类。首先，情景数据层面采用 TransHyDE 项目已发布的“S2_ChemSteel”情景作为德国 2030 年和 2050 年氢需求、氢产量、进口与剩余天然气需求的外生输入，并采用 Aalborg University 与丹麦工程师协会（IDA）基于 EnergyPLAN 构建的国家能源系统情景推导丹麦对德出口潜力。其次，空间与网络建模层面依托 NeMoSys 工具链，将不同空间分辨率的数据分配至 NUTS-3、Enertile 区域与网络节点，构建基于图论的高压天然气/氢气输送网络拓扑，其中德国天然气网络基于 DE2024 Topology，丹麦天然气网络基于跨欧洲燃气基础设施数据，氢网络则基于德国氢核心网络与丹麦氢骨干规划。最后，运行验证层面使用商用燃气网络模拟工具 SIMONE，开展稳态流体动力学模拟，对流量、压力、速度、储气设施利用和压缩机需求进行系统评估，并对丹麦—德国互联通道开展强化方案比选。
以下结合原文各部分结果进行解读。
3.1. Selection of network usage cases
本节围绕网络使用工况（network usage cases）的选择展开。研究人员指出，基础设施设计不能仅依据年总量平衡，而必须识别最关键的“受压工况”，包括最大负荷时刻和最大进口时刻等。通过对各节点逐小时需求、注入、进口和出口流进行分析，研究人员选择了最能表征系统压力测试需求的若干工况。对于 2030 年的剩余天然气（CH
4）网络，仅考察最大负荷时刻，因为天然气网络被视为过渡性基础设施，到 2050 年基本退出主导地位；对于氢网络，则在 2030 年和 2050 年均考察最大进口时刻与最大负荷时刻，以反映氢作为核心能源载体逐步扩张后的跨境输入压力与国内需求峰值压力。
在 2030 年，剩余天然气网络在最大负荷小时的总提取量约为 138 GW，需求节点主要集中于德国西部和南部，供给节点主要为储气库和天然气进口点。相比之下，2030 年氢网络拓扑规模更小、节点更稀疏，需求主要集中于工业集群和发电枢纽；其中最大负荷时刻的总提取量约为 15 GW，最大丹麦进口时刻约为 12 GW，表明早期氢系统虽规模较天然气显著偏小，但已表现出清晰的跨境流动特征。到 2050 年，氢网络的空间密度和输送规模显著增大，最大负荷时刻总提取量达到 142 GW，最大进口时刻达到 96 GW，需求尤其集中于德国西部和中部工业中心，而供给则更依赖大规模储氢与北部跨境输入。这一结果说明，至 2050 年，氢网络已从区域性基础设施发展为覆盖广、流量大、对跨境协调高度依赖的全国性骨干系统。
3.2. Fluid-dynamic simulation results
本节给出了不同网络在关键工况下的稳态流体动力学模拟结果，验证了所构建基础设施是否满足高压输送的工程约束。对于 2030 年氢网络的最大进口时刻，模拟显示主要进口走廊，尤其是丹麦进入德国北部的通道，承担最高流量，流量最高约为 3 GWh/h。网络压力维持在 20–70 barg 之间，多数管段处于 40–60 barg 的运行范围；超过 97.5% 的管道平均流速低于 11 m/s，局部峰值约为 25 m/s，均在可接受阈值内。研究人员据此得出结论：2030 年规划中的氢网络在无需压缩机站的情况下即可承受峰值进口工况，表明北部入口点与中部输送走廊在跨境平衡中具有关键地位。
对于 2030 年剩余天然气网络在最大负荷时刻的模拟，流量峰值接近 29 GWh/h，明显高于同期氢网络，反映出天然气在过渡阶段仍承担大规模工业与发电负荷。压力范围在 20–85 barg 之间，网络通过成熟的压缩设施保持负荷平衡；超过 99% 的管道平均流速低于 9.8 m/s，局部高通量区峰值达到 25 m/s，仍符合高压甲烷输送常规运行阈值。该结果构成后续评估哪些天然气管段适于保留或改造再利用的重要技术基线。
对于 2050 年氢网络在最大进口时刻的模拟，网络流量峰值达到 17 GWh/h，明显高于 2030 年，主要集中于连接北部供给节点与德国中南部需求区域的长距离主干通道。压力保持在 20–70 barg 范围，多数管段运行于 24–45 barg；气体平均流速多数低于 25 m/s，局部北部高通量管段峰值接近 50 m/s，但仍处于设计阈值之内。研究人员据此认为，扩展后的 2050 年氢骨干网络能够处理高度依赖进口的大规模工况，且跨境入口点与长距离输送走廊在全国供需平衡中作用显著增强。原文同时指出，本研究采用稳态模拟，尚不能反映电解制氢波动和需求快速变化条件下的瞬态行为（transient behavior），这构成未来方法拓展的重要方向。
3.3. Interconnector capacity deep-dive
本节是全文最具针对性的结果部分，聚焦丹麦 Sydjylland 区域（DK032）与德国汉堡都会区（DE939）之间，也是两国唯一物理燃气输送互联通道的输氢能力深度评估。研究人员将其视为未来德丹双边氢贸易的关键瓶颈资产，因为该走廊在现实技术与监管条件下定义了双边输氢上限。现有基础设施由两段拟改造天然气管道构成：北段约 88 km、直径 DN 800；南段约 122 km、直径 DN 500。由于南段更长且直径更小，其构成主要流体动力学瓶颈。因此，强化方案围绕两类措施展开：一是增设并行管道提高有效截面积，二是在 A、B、C 三个候选位置布置压缩机站以缓解压降。
模拟共评估 8 种离散强化方案。基准方案为不增加额外强化的规划氢管道，其最大输氢能力约为 3300 MWh/h，且需要电解槽出口压力约 40 barg 才能稳定运行。仅增加一条并行管道时，容量提升至 3900 MWh/h，增幅约 18%，说明单纯扩大截面积仍受南段 DN 500 长距离摩擦损失制约。若仅在位置 A 增设一个压缩机站，则容量升至 5040 MWh/h，显示定向压力强化对突破长距离氢走廊水力瓶颈具有显著作用。将压缩与并行管道结合后，能力可进一步提升至 6620 MWh/h。部署两个压缩机站时，容量可达 6450 MWh/h，若叠加并行管道则增至 7200 MWh/h；部署三个压缩机站时，无并行管道情形下可达 7870 MWh/h，而在“三压缩机+额外并行管道”的完全强化配置下，最大输氢能力达到 9800 MWh/h，接近基准工况的三倍。
这些结果揭示出强化措施的层级逻辑：压缩机站在早期即可带来显著容量收益，是快速释放通道能力的高杠杆手段；但随着流量继续上升，几何约束特别是 DN 500 南段的限制逐渐占据主导，此时并行管道由“可选增强”转变为“必要补充”。因此，最优的长期思路并非被动设施（管道）与主动设施（压缩）二选一，而是按市场成熟度分阶段组合部署。
原文进一步结合文献中的成本基准，对不同方案进行了数量级层面的基础设施成本解释，而非完整的技术经济优化。已有 DN 500–800 天然气管道改造为输氢管道的资本开支约为每千米 �1.0–2.5 million；对 DK–DE 约 210 km 全长进行并行复制，投资规模大致在 �200–500 million。氢压缩机站投资更多取决于装机功率，单位成本约为 �1.7–4.0 million/MW。模拟结果显示，单个压缩机站可相对于基准工况增加约 1740 MWh/h 的输送能力，而单独增加并行管道仅增加约 600 MWh/h，因此在早期强化阶段，压缩方式就每单位新增输送能力而言更具成本效率。随着能力由 3.3 GWh/h 提升至 9.8 GWh/h，新增约 6.5 GWh/h 输送能力，对应的边际投资成本约为每新增 1 MWh/h 运力 �40,000–70,000。原文强调，这些数值仅为数量级基准，但足以支持跨境成本收益分摊（CBCA）讨论。
4. Discussion
讨论部分将技术结果上升到规划、监管与投资协调层面。研究人员指出，丹麦—德国氢贸易的可行性并不由年度进口总量单独决定，而取决于走廊几何形态、管径变化、压力制度、压缩机布置以及下游网络整合之间的联合作用。因此，跨境互联通道应被视为“整体走廊系统”而非孤立国家资产来规划。研究进一步指出，分阶段强化策略可以降低搁浅资产风险：在市场早期，优先利用改造管道和压缩设施，以较低不可逆成本支撑出口爬坡；在丹麦海上风电、电解槽部署和德国长期购氢需求更明确后，再推进资本密集型的并行管道建设。
原文还将结果与欧盟 TEN-E 修订条例及可再生与天然气、氢立法包（RNGH package）联系起来，指出在约 40 barg 电解槽出口压力等协调条件下实现稳定跨境输氢，说明相邻氢网络间的技术和运行兼容性具有现实可行性，这对满足欧盟关于跨境氢互联互操作性的要求具有直接意义。在成本分摊层面，研究表明基础设施投资可能更多发生在丹麦一侧，而需求侧收益主要体现在德国，因此基于物理验证能力增量的 CBCA 机制比基于名义线路长度的分摊更具合理性。讨论还指出，德国面向丹麦可再生氢生产的支持机制与德国氢核心网络的摊销账户模式，共同说明跨境氢网络发展需要供给侧和运输侧协同去风险。此外，压缩机站选址、管道升级、许可流程、土地可得性和公众接受度等非技术因素也可能显著影响项目落地，因此应将快速审批和 PCI（Projects of Common Interest）优先化纳入走廊规划。
研究结论部分可译为如下内容：
本研究评估了丹麦氢出口在塑造德国未来氢供需平衡中的作用，并分析了实现韧性且高效的跨境氢网络所需的基础设施适配。通过结合基于情景的能源系统建模、高分辨率地理空间分配与流体动力学模拟，研究提供了对跨境氢整合的物理验证评估，重点关注网络灵活性、瓶颈缓解以及现有燃气基础设施的改造再利用。结果证实，丹麦氢进口可成为德国氢供应中具有结构性重要意义的组成部分，尤其是在 2030—2050 年过渡期内，此时德国国内产量预计难以完全满足工业、电力和交通部门不断增长的需求。空间与时间分析揭示了丹麦以海上风电驱动的出口导向型制氢与德国尤其是北部和中部地区集中的工业需求之间具有很强互补性。2030 年约 13 TWh、2050 年最高达 79 TWh 的潜在进口量，凸显了 DK–DE 贸易走廊在欧洲氢市场中的战略重要性；同时，2050 年出口情景依赖丹麦海上风电扩张、电解槽部署以及长期购氢安排的实现，若这些假设未能兑现，则存在基础设施利用不足风险。从基础设施视角看，研究证明改造现有天然气管道是早期部署氢网络的一条潜在节约成本且后悔风险较低的路径。流体动力学模拟显示，即使在最大进口或最大国内负荷时段，改造基础设施也可在允许的压力、流量和速度范围内安全可靠运行。针对 DK032–DE939 互联通道的走廊级详细评估进一步表明，在完全强化条件下，输氢能力可由约 3.3 GWh/h 提升至约 9.8 GWh/h，这支持将压缩优先、并在更高流量阶段叠加额外管道的分阶段强化战略。系统层面上，德国新兴氢网络在 2030 年已表现出通过储能整合与关键节点布置管理峰值负荷和进口波动的灵活性；到 2050 年，扩展的长距离通道、主动压缩与更高储能能力将成为保障高需求和高进口条件下系统可靠性的关键。方法上，本研究展示了将成本相关基础设施解释与基于流动的网络验证相结合的价值，并指出未来应进一步扩展至瞬态流动模拟、更精细的成本度量及显式监管压力测试。总体而言，研究表明丹麦氢进口可通过平衡区域供需错配、提高网络灵活性并降低对德国国内产量的依赖，在德国能源转型中发挥变革性作用；DK–DE 互联通道分析则证明，走廊尺度、基于模拟的验证可为国家和欧洲层面的基础设施投资及监管决策提供物理扎实且兼顾经济性的依据。
