基于气象数据蒙特卡洛模拟的绿色氢气生产技术经济比较分析

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Comparative techno-economic analysis of green hydrogen production using meteorological data-based Monte Carlo simulation

　　

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  采用了气象数据进行了蒙特卡洛模拟。
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  研究了绿色氢气生命周期成本中不确定性因素的影响。
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  沙特阿拉伯稳定的太阳辐射和干旱气候使得生产成本更低。
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  韩国的季节性特征导致生产波动性及成本上升。
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  电解槽效率是影响绿色氢气生命周期成本的最重要因素。

引言

随着热浪、暴雨等极端天气事件愈发频繁，气候变化已成为全球亟需解决的难题。这一环境危机促使人们开始关注能够减少温室气体排放的技术。在各类解决方案中，氢能被视为实现碳减排的重要途径[1]。目前的氢气生产方法主要包括：从石化副产品中获得的褐氢；通过化石燃料重整并结合碳捕获与储存技术生产的蓝氢；以及利用可再生能源驱动水电解法产生的绿氢[[2], [3], [4]]。其中，绿氢因其不会产生二氧化碳而备受重视，被视为一种环境友好的能源选择[5]。尽管具有诸多优势，但由于依赖可再生能源，绿氢生产在确保稳定电力供应方面面临巨大挑战[6]。可再生能源的产出受太阳辐射、风势等气象因素影响而存在一定波动性，这类波动性不仅增加了电力预测的难度，还可能影响氢气供应链的稳定性，缩短电解槽的使用寿命[[7], [8]]。

全球范围内，可再生能源资源的分布存在显著地域差异。在那些因当地气象条件导致可再生能源供给不足的地区，各国在绿氢生产过程中可能会面临诸多困难[[9], [10]]。全球太阳能地图的分析显示，太阳能资源主要集中在中东、澳大利亚北部以及中国西部内陆等干旱地区[11]。鉴于这些地理限制，韩国、日本、德国等可再生能源潜力有限的工业化国家正在寻求从可再生能源丰富的国家进口绿氢的策略[[12], [13], [14]]。这些趋势表明，资源匮乏的进口国与资源丰富的出口国之间开展跨境氢气贸易的重要性日益凸显，而可再生能源本身的时间不稳定性进一步增加了此类贸易的经济复杂性[15]。

由于可再生能源的固有波动性，绿氢的月度价格也会出现较大变动，这会显著影响国际氢气贸易的格局，因此需要借助先进的经济分析方法来进行研究。大多数传统的技术经济分析采用基于固定输入假设的确定性方法，往往无法反映绿氢价格的时间波动情况。为解决这一问题，本研究采用了蒙特卡洛模拟这种概率分析法，结合气象数据来模拟绿色氢气生命周期成本的月度变化情况。蒙特卡洛模拟是一种从概率分布中抽取输入变量并生成多种可能输出结果的概率方法[16]。该方法通过分析气象波动对生产成本的连锁影响，能够有效量化绿氢生产过程中的不确定性与风险。此外，通过对比气候条件差异较大的两个国家的绿氢生产情况，还能为未来氢气贸易策略的可行性与稳定性提供参考依据。

近期的相关研究在绿色氢气的技术经济评估中加入了区域差异、全生命周期影响以及系统层面分析等内容。研究表明，资源差异会在区域和全球范围内显著影响绿色氢气的生命周期成本与碳强度，加利福尼亚州的情况便是典型例证[17]，而全球范围内依靠太阳能和风能生产氢气的情况也呈现出类似的趋势[18]。类似的地理空间技术经济分析与全生命周期评估也用于研究中东和北非地区的可再生氢气开发潜力，该地区的气候条件与本文研究的沙特阿拉伯类似[19]。技术经济评估与优化方法的应用范围也已超越了传统的电解制氢方式，还包括污水处理厂中的多联产技术[20]、基于机器学习的农业废弃物气化制氢优化技术[21]、电子燃料的合成与运输技术[22]以及绿氨生产技术[23]——这些都体现了此类分析框架在氢能产业链各环节中的广泛应用前景。在具体的国际氢气贸易领域，Gallardo等人根据氢气生产潜力与出口成本，分析了从智利阿塔卡马沙漠向日本出口氢气的确定性供应链情况[24]。不过，这些研究要么采用确定性输入假设，要么仅从年度或区域层面分析价格波动，很少有研究能够以月度为单位量化绿色氢气生命周期成本的波动情况，而这也正是本研究要重点探讨的内容。

除了方法上的差异外，本研究还在现有基于蒙特卡洛模拟的技术经济评估方法基础上进行了改进和创新。Benalcazar和Komorowska在波兰的17个NUTS-2区域内应用蒙特卡洛模拟方法，结合已有研究中的成本与价格参数不确定性，分析了三个基准年份（2020年、2030年、2050年）各区域的氢气生产成本情况[25]。Yates等人同样采用蒙特卡洛模拟方法，通过历史气象数据分析了离网光伏供电制氢过程中的主要成本影响因素，并对比了不同地区的绿色氢气生命周期成本[26]。在这两项研究中，资源波动性都是作为特定地区的输入数据来处理的，既没有做到按月度尺度进行分析，也没有用于比较不同国家之间的贸易可行性。而本研究则直接从拟合得到的月度气象数据中提取信息，生成12种不同月份的绿色氢气生命周期成本分布，进而对比韩国与沙特阿拉伯之间的贸易可行性——这种结合时间分辨率与国际贸易分析的方法，在之前的基于蒙特卡洛模拟的技术经济评估研究中是不存在的。

尽管目前关于绿色氢气技术经济评估的研究已经相当丰富，但仍然存在两个不足之处。首先，现有的概率型技术经济评估研究虽然能够体现参数的不确定性，但却没有以亚年度（月度）的时间尺度来分析气象波动性，因此无法判断季节性气候模式如何导致氢气成本逐月发生变化。其次，上述研究均未从国际氢气贸易的角度来分析这种波动性，而在实际贸易中，出口国与进口国的生产成本低谷期与高峰期的时间差异，会对贸易合同的制定产生重要影响。

为弥补这些缺陷，本研究将气象数据直接纳入蒙特卡洛模拟框架，以此量化绿色氢气生命周期成本的年度内（月度）波动情况，同时分析在气候不确定性背景下，韩国与沙特阿拉伯之间开展绿氢进出口贸易的可行性与成本稳定性。具体而言，本研究将探讨：（1）温带进口国与干旱出口国的不同气候条件如何影响基于太阳能的绿色氢气生命周期成本；（2）月度气象波动在各自国家中会对绿色氢气生命周期成本不确定性产生多大影响；（3）相比国内绿色氢气生产，进口沙特氢气在韩国是否更具经济优势。本文的其余结构如下：第二部分介绍所使用的气象数据、蒙特卡洛模拟方法以及技术经济模型；第三部分展示研究结果，包括限电措施的影响以及蓝氢与绿氢的成本对比情况；第四部分则总结本研究的研究意义、局限性以及未来研究方向。

章节要点

研究方法

本研究共分为三个阶段依次开展：气候数据预处理、蒙特卡洛模拟以及经济分析。因此，本节将依次介绍研究中采用的各种方法。

气象数据分析与蒙特卡洛模拟

本研究首先分析了沙特阿拉伯与韩国的气象条件，以此研究两国氢气价格的波动规律。图1展示了两国对应的全球地表短波辐射分布情况，即太阳辐射强度的分布情况。数据分析结果显示，两国的太阳能资源供给存在明显差异，韩国的月度太阳辐射强度远低于沙特阿拉伯。造成这种差异的原因是

结论

本研究通过蒙特卡洛模拟方法，结合韩国与沙特阿拉伯的气象数据，对绿色氢气生产的经济可行性进行了对比分析。模拟结果显示，两国的月度太阳能发电能力及氢气生产规模存在显著差异。由于纬度较低且气候干旱，沙特阿拉伯的太阳能发电能力与氢气生产能力更强的优势十分明显，而

作者贡献说明

Yewon Kim： 文章撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化处理、结果验证、软件应用、资源协调、项目管理、方法设计、研究实施、正式分析、数据整理、概念构思。 Jihyeon Son： 数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、资源协调、软件应用、结果验证、可视化处理、文章撰写——审稿与编辑。 Sanghun Lee： 文章撰写——审稿与编辑、研究指导、软件应用、项目管理、方法设计、资金筹措，

关于写作过程中生成式人工智能与人工智能辅助技术的声明

在撰写本文的过程中，作者们使用了ChatGPT工具来提升文章的可读性。在使用该工具/服务之后，作者们对内容进行了必要的审阅与修改，并对文章的最终内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明，自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）设立的“面向硕士、博士研究生及博士后人员的全球学习与学术研究项目（G-LAMP）”的支持，该项目由韩国教育部资助（项目编号：RS-2025-25442252）。研究所需数据来自美国国家航空航天局兰利研究中心的“全球能源资源预测项目（POWER）”，该项目由NASA地球科学/应用科学计划提供资金支持。

Yewon Kim|Jihyeon Son|Sanghun Lee