摘要

氫被視為難以脫碳行業中的關鍵能源載體；然而，其較低的體積能量密度使得儲存和運輸成本高昂且技術上具有挑戰性。本研究在距離、規模和系統邊界一致的前提下，比較了壓縮氫（CGH?）和液態氫（LH?）的主要運輸方式。將氫壓縮至700巴通常需要1.35–3.0千瓦時/千克的能量，而將其液化至20開爾文則需要10–13千瓦時/千克的能量。分析涵蓋了管式拖車、管道、低溫公路和鐵路運輸罐車以及海上運輸方式，評估了有效載荷、資本支出和運輸成本。對于短距離運輸（約200–300公里），壓縮氫更為合適；而對于中長距離運輸，由于其更高的密度（每罐車約3–5噸），液態氫更具競爭力。盡管前期投資較大，但管道運輸仍然是成本最低的選擇，最佳方案很大程度上取決于運輸距離和規模。

引言

氫正成為一種關鍵的低碳能源載體和工業原料，尤其是在電氣化難度較大的領域，如長途運輸、鋼鐵制造和某些化學工藝。近期研究強調了隨著成本降低和性能提升，氫的潛力日益顯著[1]。許多國家預計低碳能源，尤其是可再生氫，將實現顯著增長，以幫助實現凈零目標并支持可再生能源電力[2,3]。在全球脫碳計劃中，氫被視為長期能源儲存和改變工業運作方式的重要手段[4]。氫的高能量密度、使用時的零排放（當使用可再生能源生產時）以及獨特的化學性質使其至關重要，特別是在無法用電力替代現有工藝的情況下，例如氨、甲醇或鋼鐵的制造[5]。隨著可再生能源比例的增加，研究顯示從化石燃料向可再生燃料（如綠色氫、生物燃料）的轉變，其競爭力取決于資源和地理位置，這影響了運輸需求[6]。各國政策越來越多地將生產區域、基礎設施和出口計劃聯系起來，突顯了運輸在國內和全球氫市場中的關鍵作用[7]。 在這一不斷發展的背景下，儲存和運輸構成了生產與最終使用之間的關鍵橋梁[8]。它們的技術限制和成本顯著影響了能夠服務的市場、價格以及碳排放強度[9]。多項研究表明，當生產地遠離需求中心時，運輸成本和排放量可能占氫總成本和排放量的很大比例[10]。這種依賴性反映了氫的固有特性：其低體積能量密度和高擴散性要求高壓儲存、低溫液化或化學轉化，這些過程都會增加能量損耗、資本成本和運營風險[11]。因此，擴大氫供應鏈規模需要在大規模投資于管道、卡車和船舶車隊、低溫終端以及地面和地下儲存設施，而長途運輸和出口目標會進一步放大這些需求。多項研究一致表明，運輸方式決定了每千克氫的運輸成本和溫室氣體排放量，這些結果受到距離、規模和運輸形式的顯著影響[12,13]。 在所有大規模運輸氫的方法中，壓縮氫（CGH?）和液態氫（LH?）是最成熟的選擇，尤其是在公路運輸和早期海上航線方面。數據分析顯示了一個典型的權衡：盡管需要大型高壓儲罐和更頻繁的加注，但壓縮氫避免了氫液化所需的大量能量消耗。另一方面，液態氫具有更高的體積能量密度，但代價是能量密集型的液化過程和持續的蒸發問題[14]。這些差異影響了氫運輸的經濟性[14]。行業研究表明，通常在100至200公里的距離范圍內，液態氫在卡車運輸中更具優勢；而對于大規模出口項目，使用低溫終端的情況則更有利于液態氫[15]。安全因素也是一個重要考量，高壓和低溫系統各自涉及特定的運營風險和監管挑戰，影響保險費率、車隊設計選擇和應急計劃[15]。最近的元分析強調了額外的復雜性，因為燃料加注行為、船舶推進系統和蒸發管理的差異使得不同研究之間的比較變得困難[16,17]。這凸顯了進行一致性和基于情景的分析的必要性，而不僅僅是依賴孤立的數據點[16,17]。 盡管進行了大量研究，該領域仍然存在碎片化現象。技術論文通常將氫的壓縮和液化視為獨立的過程，而經濟研究則對壓力、液化所需的能量、蒸發損失或運輸成本閾值提出了不同的要求。因此，諸如盈虧平衡距離、每千克運輸成本和總排放量等關鍵指標差異很大，難以得出明確結論。一些主題，包括蒸發管理、電網對碳強度的敏感性以及距離和規模之間的相互作用，僅得到了零散的研究或使用了不一致的邊界條件進行分析。本綜述旨在直接解決這些空白，將最新的技術和經濟發現整合起來，對CGH?和LH?的運輸進行統一評估，如圖2所示。通過協調假設并整合定量結果，本綜述提供了可靠且可比較的性能和成本評估。目的是為政策制定者、規劃者和投資者提供清晰且可行的見解，同時指出需要改進的方法或數據領域，以支持負責任的行業規模增長。綜述的結構從氫處理技術逐步擴展到更廣泛的系統級考慮。第2節涵蓋了壓縮和液化的基礎知識，包括其操作原理、能源需求以及它們如何影響下游運輸。第3節描述了主要的運輸方式，并比較了不同距離和規模下的CGH?和LH?。第4節提供了統一的經濟分析，強調了成本結構、距離驅動的競爭力和關鍵的經濟因素。最后，第5節總結了研究結果，提出了分階段基礎設施開發和戰略運輸規劃的討論和建議。

氫的壓縮與液化

由于氫在常溫下的體積能量密度極低，因此在高效運輸之前必須對其進行大幅濃縮。圖3展示了實現這一濃縮的兩種主要方法：一種是壓縮，將氫氣加壓至350至700巴之間；另一種是液化，將其冷卻至20開爾文，轉化為高密度的低溫液體[18]。這兩種方法都面臨顯著的技術障礙。

氫運輸方式

能夠高效地將氫從生產地點運輸到最終使用地點是新興氫經濟的關鍵要求，然而當前的運輸基礎設施仍然有限，且各地區發展不平衡[43]。運輸方式通常分為壓縮氫（CGH?）和液態氫（LH?），每種方式根據距離、規模和基礎設施的成熟度具有不同的優勢和限制。運輸方式的選擇很大程度上受到全球分布的影響。

氫運輸的經濟評估

本節從經濟和環境的角度評估了氫運輸方式，重點關注資本投資、運營成本、能源效率和排放之間的權衡。通過比較氣態氫和液態氫的運輸路徑，分析說明了運輸距離、規模和基礎設施選擇如何影響整個系統的成本和環境性能。這些評估為識別合適的運輸方案提供了定量基礎。

討論與建議

氫運輸方式的選擇主要由運輸距離、氫流量和基礎設施成熟度的綜合效應決定，而不僅僅是技術性能指標。壓縮和液化都會帶來重大的能源和資本成本負擔，因此技術上最先進的選擇不一定是最經濟可行的選擇。

結論

本綜述分析了與氫運輸相關的實際和經濟挑戰，重點關注通過公路、鐵路、管道和海上運輸的壓縮氫（CGH?）和液態氫（LH?）。基于大量最新文獻，我們研究了氫的熱物理性質如何影響整個供應鏈中的能源消耗、成本和基礎設施選擇。總體結論是，沒有一種單一的運輸方式能夠滿足所有需求。