全球能源系统深度脱碳的一个重要组成部分是建立大规模利用氢气，以替代所有部门的化石燃料，包括工业、电力部门、交通和供暖。因此，除了降低氢气生产成本外，为氢气的储存、运输和分配建立高效和合适的基础设施也变得至关重要。本文从技术上详细介绍了氢基础设施的最新技术，包括基于物理和材料的储氢技术。基于物理的储存是指以压缩气态、液态或超临界状态储存氢气。液态有机氢载体、金属氢化物或动力燃料形式的储氢称为材料储氢。此外，还回顾了氢气运输的主要方式，例如通过拖车和管道的陆路运输、海外运输和一些相关的商业数据。作为本文的主要结果，氢气储存和运输技术相互比较。本次比较为根据不同应用场景构建合适的氢基础设施系统提供了建议。
全球能源系统深度脱碳的一个重要组成部分是建立大规模使用碳中和氢作为工业原料和替代化石燃料。使用可再生能源电解水产生的氢气，被称为“绿色”氢气，被认为是实现这一目标的最佳候选者。然而，目前绿色氢气的成本较高，~3-6美元/千克时2 [1]，而“化石氢”的成本为1-2.4美元/千克时2，这是迄今为止阻碍其在工业和民用应用中实施的主要障碍。除了绿色氢气外，根据生产方法的不同，还有其他几种颜色标记氢气，这些颜色具有不同的影响，但在大多数情况下，会对环境产生负面影响。因此，关于使用低成本的“非绿色”氢作为清洁能源转型的中间状态进行了激烈的讨论。归根结底，从长远来看，这是扩大规模以降低氢气成本的需要与环境影响之间的权衡。在这个转型过程中，一个决定性和激励性的想法可能是，领先于技术发展的公司和国家将获得经济利益，可以进一步投资，从长远来看，氢生态系统逐步朝着碳中和的方向发展。
除了低成本的制氢技术外，涵盖氢气储存、运输和分配的成熟、高效和低成本的氢气基础设施是另一个关键。一方面可以增加对氢气的需求，从而扩大氢气的生产规模，降低氢气的价格。另一方面，较低的制氢成本促进了氢基础设施的进一步扩张。
本文的目的是调查氢基础设施两个基本领域的技术选择和趋势：氢储存和运输。一般来说，目前可用的氢气储存和运输技术都是从化学和天然气行业的相关成熟技术直接发展而来的。对于基于物理的氢气储存和氢气运输，无论是在公路上还是通过管道和船舶运输，情况尤其如此，分别如第 2.1-2.3 节和第 3.1-3.4 节所述。然而，由于氢气的特殊性，如金属材料中的高扩散率等，需要采取额外的措施：例如，氢气在0.1 MPa（1 bar）下蒸发温度极低，为20 K，需要复杂的液化过程，并针对蒸发效应采取措施。氢气的高扩散性限制了氢气管道的适用材料，并且需要额外的重新分配工作来重新利用现有的天然气管道网络。
与化石燃料及其衍生物相比，氢气的一个独特特性是，它可以通过化学或物理方式与适当的液体或固体材料结合来储存。尽管技术准备水平 （TRL） 相对较低，但基于材料的储氢技术改善了氢作为储能介质的应用，并提供了第 2.4-2.6 节中回顾的运输氢的替代方式。本文的特别关注点在于第2.7节中不同储氢技术的比较。因此，不仅要考虑关键技术特点，还要考虑实现储存条件和释放氢气的能耗，以及优先应用领域。第 3.5 节比较了与运输距离相关的不同氢气运输方法，特别是从经济角度来看。最后，在第4节中，我们简要介绍了如何为不同的应用场景选择合适的氢气储存和运输方式，并在国家和区域层面建立氢基础设施发展战略。
储氢技术在氢基础设施的建设中起着至关重要的作用。氢气的储存形式不仅决定了氢气的运输方式，也决定了氢气的利用方式。储氢技术的进步可以进一步推动和拓展氢能应用领域。从技术角度来看，通常要考虑五个主要因素来表征储氢系统[2]：
重量密度（5.5 wt%）;
体积密度（0.04 kg H2/L）;
工作温度（-40°C 至 60°C）;
循环寿命（1500次循环）;和
系统填充时间（1.5 kgH2/min）。
上括号内的数据是美国能源部（US-DOE）设定的2020年轻型燃料电池汽车车载储氢技术目标，供参考[3]。
一般来说，储氢系统可分为两类：基于物理的储氢系统和基于材料的储氢系统（见图1）。在前一种情况下，氢气通过改变其物理状态来储存，即增加压力（压缩气态储氢，CGH2）或将温度降低到其蒸发温度以下（液态氢储氢，LH2）或同时使用两种方法（低温压缩储氢，CcH2）。在基于材料的存储中，应用附加材料作为“载体”。它们可以物理或化学地与氢分子或原子结合，因此与基于物理的存储系统相比，它们可以提高存储密度和安全性。然而，大多数基于材料的存储技术仍处于实验室和示范阶段。
储存氢气最简单、最成熟的方法是将其压缩并填充到压力容器中。与表1相比，目前有四种类型的发达船舶可用。选择使用哪种容器类型是基于应用领域，并在技术性能和成本之间做出折衷。
用于储氢的I型压力容器出现在19世纪末。他们能够使用500公斤的钢瓶以12 MPa的速度储存25 Nm³的氢气。如今，它们的典型工作压力已增加到 15 到 30 MPa 之间。然而，由于它们的重量密度低，它们只能用于固定应用，特别是作为工业气体的氢气的现场储存。在给定压力下，力学分析表明，壁厚均匀的金属压力容器的气缸体是薄弱环节，与圆顶相比，它承受的应力更大[4]。因此，为了在更高的压力水平下储存氢气，人们可以通过用树脂浸渍纤维环形包裹中间圆柱形部分来轻松加固金属容器。主要取决于包裹纤维的厚度，由此产生的压力容器（称为II型容器）对工作压力表现出最高的公差。根据FIBA Technologies， Inc.的技术数据表，带有包裹碳纤维的II型无缝钢容器设计用于≤100 MPa的气体压力[10]。因此，II型压力容器通常用于固定式高压储气，例如加氢站（HRS）的87.5 MPa的级联储氢[6]。当金属或聚合物内部完全用纤维包裹时，产生的压力容器（分别命名为III型或IV型）显着减轻，因此可以满足船上应用中储存氢气的重量密度要求。出于同样的原因，III型和IV型压力容器优先用于管式拖车，并集成到容器中以运输氢气。至于加气站的低压固定式储氢，人们对使用IV型储氢罐的兴趣越来越大。虽然人们可以以相似的投资成本在I型容器中储存相同数量的氢气，但它们需要更大的占地面积[6]。
I型、II型和III型压力容器的无缝金属圆柱体和内衬的制造工艺非常相似：将进入的金属块头或板深拉入壳体，随后通过冲压或热纺丝形成颈部。IV 型容器的衬里通常由高密度聚乙烯 （HDPE） 或聚酰胺 （PA） 制成，使用滚塑成型、吹塑成型或将注塑圆顶焊接到挤出的聚合物管上。为了加强船舶衬垫，纤维（如玻璃、芳纶、碳等）可以环形包裹、极性包裹或螺旋包裹在其上。II 型血管是环形包裹的，而 III 型和 IV 型血管的包裹是其中两个或三个的组合。在此之后，纤维由固化树脂（主要是环氧树脂）保护。
除了压力容器外，另一种储存压缩气态氢气的有前途的方法是使用现有和适当的盐穴、含水层和枯竭的气藏。地下储氢（UHS）是专门为中长期储存进口或季节性可再生能源产生的大量剩余氢而开发的。显然，地质标准是研究人员和工程师在评估潜在的超高清遗址时的主要关注点。盐穴通常是纯氢储存的最佳候选者。这不仅是由于其沉积物的密封性、盐的良好机械性能及其对化学反应的抵抗力[11]，还因为它的粘弹性蒸发岩对气体有很好的密封作用[12]。此外，盐水条件抑制了储存氢气的微生物消耗[12]。不幸的是，盐穴的体积相对较小，分布不广。贫化气藏体积较大，在勘探和开采过程中地质结构和特征得到很好的识别，具有显著优势[11]。然而，残留的天然气会降低储存氢气的纯度。如果母岩存在良好的储集层特性和防止储存氢迁移的不透水层，则体积非常大且易于找到的含水层将成为储氢的一种选择。然而，由于含水层的多孔性质、生化反应以及储层岩石中氢气与矿物的反应，其缺点是沿未探测到的断层可能泄漏。迄今为止，尚未报道含水层中的纯氢储存。Zivar等[13]总结了全球现有的一些超高温高温排放系统案例，并分别将不同的氢气应用与合适的超高温排放系统进行了比较，如表2和表3所示。
与压缩气体储存相比，液态氢显然具有更高的重量和体积密度。然而，液化氢气的技术比压缩氢气或其他常规气体的液化要困难得多，消耗的能量也要多得多。这主要是因为
（i）氢气的蒸发温度（凌晨1时为20.28 K）和临界点（33 K）非常低;
（ii）氢的分子尺寸非常小，以至于在相对较高的温度下非常接近理想气体——只有当温度为<202 K（氢的焦耳-汤姆逊反演温度）时，它的焦耳-汤姆逊系数才为正;和
（iii）由于氢气的邻位转化，20 K（447 kJ/kg）的对氢汽化焓低于相同温度下从正常氢向平衡氢的放热转化焓（532 kJ/kg）[14]。
请注意，实际气体相对于等焓压力的温度变化率定义为焦耳-汤姆逊 （J-T） 系数。通过降低压力（增加体积），如果气体温度低于其逆温，则 J-T 系数为正，气体冷却。如果气体温度高于其反温温度，则 J-T 系数为负，气体升温。对位（或邻位）氢的含量 xpH2 取决于环境平衡温度。将温度从 300 K 变化到 20 K，xpH2 从 ~25% 增加到 99.8%。
1895年，卡尔·冯·林德（Carl von Linde）和威廉·汉普森（William Hampson）分别发明了一种循环工艺来液化适合工业用途的空气。如图2a所示，压缩机（C）首先将空气从2MPa压缩到6MPa，然后通过水热交换器（HX1）输送压缩空气。随后，预冷的压缩空气被送入逆流热交换器 （HX2） 并通过 J-T 阀松弛（等焓体积增加）。空气的一部分由此液化，而另一部分气态冷却的空气则通过HX2，在那里冷却进入的空气，然后返回压缩机。然而，林德-汉普森循环无法液化氢气，除非它与液氮预冷系统相结合[15]。
乔治·克劳德（George Claude）于1902年发明的克劳德系统（图2b）通过将液化循环与膨胀机相结合来改善林德-汉普森循环，这是另一种液化氢气的方法：进入的氢气在通过热交换I（十六进制I）之前被压缩到4 MPa，在那里它将被冷却到大约-100°C。这种压缩和预冷的氢气的一部分通过膨胀缸增加其体积进一步冷却，然后将其送回热交换器 II （HEX II）。膨胀的氢气在HEX II中将其冷与压缩氢气的另一部分交换，其主要部分将通过J-T阀液化。节流产生的闪蒸氢气在热交换器III（HEX III）中预热，与膨胀缸的排放物混合，并在HEX II和I中进一步预热。
例如，在德国，目前有一家位于洛伊纳的氢液化厂，其生产能力为每天 5.5 公吨 （mTPD），自 2007 年以来一直在运营。洛伊纳的第二座相同容量的液化器计划于 2021 年上线。英戈尔施塔特的工厂自 1992 年开始运营，现已退役，产能为 4.4 mTPD。所有这些设备都基于带有液氮预冷的 Claude 系统，并由林德股份公司提供和运营。与原来的克劳德系统相比，现代氢液化装置（如图3所示）展示了更多的低温膨胀涡轮机和更多的热交换器，并集成了催化邻位对氢转换器。此外，克劳德循环与冷却路径分离以液化氢气。根据Cardella等[17]的计算，一个容量为5 mTPD的传统现代工厂消耗10 kWh的电力来液化1公斤氢气。如果未来通过应用混合制冷剂预冷，将产能提高到100 mTPD，他们预计将减少40%的能耗。
作为广泛使用的基于克劳德循环的制冷系统的潜在替代方案，华盛顿大学的Jacob Leachman博士和他的团队发明了一种有趣的冷却系统，将Ranque-Hilsch涡旋管与对位氢转化的吸热转换相结合[18,19]。 如图 4 所示，首先在 77 K 的液氮 （LN2） 浴中以 ~50% 的平衡对位成分预冷加压氢流 （~3.5 bar），然后注入涡旋管中。在涡流室中，氢流被加速到高转速，并逐渐分离成两种不同温度的流体。旋转流外壳中的氢分子越来越热，旋转速度越来越快，而内部的分子越来越冷，旋转速度越来越慢。管内壁上的对位-邻位催化剂涂层进一步将较热的对位氢转化为正氢。由于管壁上的绝缘材料可防止来自环境的热传导，因此转换所需的热能是从内部较冷的氢流体中提取的，从而增强了整体冷却。通过锥形喷嘴，温暖的富氢外流（~120 K，75% 正氢，1 bar）被允许从管中逸出并被回收，而冷的富氢内流（~30 K，25% 正氢，1 bar）被迫返回并通过另一个出口离开管子，在那里它可以被引导到二次涡流管中进行进一步冷却，或者被引导到传统的 J-T 阀或闪蒸分离器中，用于液化。
尽管该技术尚未商业化，但发明人宣称其液化氢气的效率比目前的技术水平高出近20%。此外，它是一种模块化方法，因此可以用作小型到大型氢液化器[19]。
储存LH2的低温罐（如图5a所示）的一个主要技术挑战是减少其蒸发损失。LH2 吸收的热量导致其蒸发。由于金属内容器的设计不能承受更高的压力，因此必须释放蒸发的氢气，从而导致材料蒸发损失。热传导、辐射、对流和对位转换是热泄漏的主要来源。表 4 总结了目前保持低温罐隔热的措施。
用于 LH2 储存的最先进的低温储罐源自为 LN2 开发的储罐，几乎没有任何变化。珍珠岩和~10的真空度–2mbar 用于绝缘并给出
