氢能被众多专家称为"未来燃料"，有望通过两种主要方式推动全球经济脱碳：燃烧氢气或将其输入燃料电池，可产生可储存的能量，且无碳排放，仅生成水；同时，氢能还可替代化石燃料，或作为化学原料用于钢铁、水泥生产等难以脱碳的工业流程。
然而，氢能要实现其潜力，必须克服两大挑战。目前，全球研究人员正致力于解决第一个挑战：找到一种既廉价又低碳排放的纯氢生产方法。同样关键的是，如何找到运输和储存氢气的有效方式。麻省理工学院能源计划（MITEI）的研究团队正在攻克这一讨论较少但同样重要的难题。纯氢的生产地点往往远离使用地点，因此运输至关重要，也极具挑战性。
问题根源在于氢气的两个特性：它是最轻的气体，且体积能量密度低。因此，输送一定量的能量需要大量氢气，以及密封性极强、能防止氢分子逸出的容器。相比之下，运输汽油等液态燃料要容易得多。若没有良好的储存和运输手段，氢能就无法实现其作为全球清洁燃料的承诺。
2024年，在埃克森美孚技术与工程公司通过MITEI提供的资金支持下，MITEI研究团队与埃克森美孚同事开始研究各种氢气运输方案。研究人员最终得出结论：没有单一的最优答案，特定运输方式的成本和碳排放因地而异。因此，研究团队没有给出一张显示"最佳"结果的表格，而是开发了一款工具，帮助用户了解各种选项，并根据自身具体情况选择最优方案。
研究人员在《燃料》期刊发表的一篇新论文中介绍了这项研究及其开发的工具。
该研究由MITEI前博士后Gasim Ibrahim（现为霍尼韦尔研发工程师/科学家）和Guiyan Zang（MITEI前团队负责人，现为华盛顿州立大学副教授）主导。其他MIT共同作者包括前博士后Bosong Lin、Jacqueline Garrido、Woojae Shin和Lai Haoxiang。
氢能挑战与氢"载体"
研究团队的基本假设是：氢能若要成为全球可行燃料，就需要长距离运输，具体而言是跨洋、跨大陆或跨大型水体运输。鉴于氢气的特性，最好在运输前将其转化为某种液态形式。
目前已有一些已知方法，但哪种最适合运输？各种方法的成本如何？会在多大程度上增加氢气的碳强度？
"解决这些问题的研究并不多，"Ibrahim表示。虽然已有一些研究，但结论不一，且存在诸多不确定性——既因为成本和碳排放因地而异，也因为缺乏足够数据来说明大规模氢气运输的实际运作方式。
"因此，我们认为最好的办法是开发一款自适应工具，让用户能够进行自主评估——一款可以非常便捷更新的工具，"Ibrahim解释道。"我们会将其开源，任何人都可以查看和更新我们在制定和测试过程中使用的数据。随着行业发展和规模效应的增强，对不同运输方式的经济性和碳强度的初始评估假设将需要不断更新。"
为聚焦运输和储存问题，该模型——称为氢载体分析工具（HyCAT）——不考虑初始氢气的生产方式，也不考虑氢气交付后的使用方式。HyCAT专注于确定氢气运输和交付过程中产生的成本和碳排放。此外，虽然完整的生命周期评估会涵盖所有环境影响，但HyCAT仅关注温室气体排放。
Ibrahim表示，该工具使用简便。工具内置用户界面，配有用于输入假设条件的下拉菜单，分析结果以简洁的条形图呈现，并附有详细数据表格的链接。
Ibrahim澄清说，虽然HyCAT有明确的边界——"从输入氢气到输出氢气"——但在分析具体情况时，用户需要输入当地情况的各种因素，包括输入氢气生产相关的碳强度和成本。"这将影响HyCAT分析得出的最终数值，"Ibrahim说，这也在一定程度上解释了为何结果因地而异。
根据用户输入的假设，HyCAT会计算"供应链"五个环节的成本和温室气体排放：
在"出口"终端将氢气转化为液态；
储存富氢液体；
在空置油轮可用时进行运输；
在"进口"终端储存；
将氢气以适合燃烧或输入管道分配的气态形式释放出来。
液化氢气的方案选择
分析氢气运输方案成本和排放的核心决策，在于如何将气态氢转化为液态，以及如何在终点回收氢气。
一种方法是直接将气态氢转化为易于运输的液态。但将氢气液化需要极低的温度。Ibrahim指出，"需要消耗约三分之一的氢气能量，才能将气态氢冷却至液化所需的温度。"另一个问题在于液态氢的储存和运输过程：若储存容器隔热不当，液态氢可能重新气化并逸出。氢气液化的优点是无需化学反应。
其他方案涉及使用氢"载体"。某些液态化合物在特定条件下会吸收氢原子，在另一些条件下则会释放氢原子。因此，解决氢气运输问题的一种方法是：在氢气产地让载体化合物吸收氢气，到达目的地后再释放。这种方法涉及两个化学反应——一个将氢气与载体结合，另一个将其释放。
在示范运行中，研究人员考察了涉及三种潜在化合物的氢载体，每种化合物各有已知的优缺点。
其中一种载体通过向甲苯中加氢制得。这一化学反应研究尚不充分，但有一个已知缺点：甲苯通常来源于石油和天然气行业，因此甲苯本身在吸收氢气时碳强度相对较高。此外，甲苯会随时间逐渐损耗，需要不断补充。
研究人员还考察了"合成甲烷"，它通过氢气与二氧化碳反应制得。这一反应已为人所知。Ibrahim指出，合成甲烷的制备实际上会消耗二氧化碳，通常从大气中捕获。但不利的一面是，反应产物之一是水，因此每次反应都会损失部分氢气。
最后一种方案是氨，由氢气与空气中的氮气反应生成。这一反应经过深入研究，已实现商业化应用。"我们生产氨已有很长历史，"Ibrahim说。其运输和储存基础设施也已相当完善。Ibrahim将氨称为"最具前景的选择"，但释放氢气所需的反应尚未受到足够重视。
结论因地而异与未来计划
基于示范运行结果，研究人员发现最优路径因地因情而异。"在开发工具的过程中，我们发现'最佳'载体与具体供应链高度相关，"Ibrahim说。"它取决于运输距离、出口国和进口国的能源及运输成本、两端所需设施的资本成本等多种因素。"
Ibrahim及其团队目前正在规划后续研究，将在特定条件下使用HyCAT分析具体供应链。他们将筛选出高度不确定的假设条件，并考察这些假设的可能取值范围。"届时，我们将能够说明：'在这些条件下，这种载体优于那种'，或者'这种载体在成本上更优，但碳强度更高'，"Ibrahim表示。
目前，Ibrahim认为这项研究的主要结论是"没有结论"。他提醒决策者不要轻易认为文献中的任何结论都能推广或外推至其具体情况。相反，决策者应使用HyCAT探索可用选项，结合结果以及公司的目标和价值观，优化供应链，使清洁燃烧氢能成为现实。
Q&A
Q1：HyCAT工具是什么？能用来做什么？
A：HyCAT（氢载体分析工具）是由麻省理工学院能源计划研究团队开发的开源分析工具，用于评估不同氢气运输方案的成本和温室气体排放。用户可通过下拉菜单输入当地条件假设，工具会计算供应链五个环节的成本和排放数据，并以条形图形式呈现结果，帮助决策者为其具体情况选择最优运输方案。
Q2：氢气运输为什么这么难？
A：氢气运输面临两大核心挑战：一是氢气是最轻的气体，体积能量密度低，输送同等能量需要大量氢气；二是氢分子极易逸出，需要极高密封性的容器。将氢气液化虽可便于运输，但需消耗约三分之一的氢气能量用于冷却，且储存过程中若隔热不当，液态氢会重新气化逸出。这些特性使氢气运输远比液态燃料复杂。
Q3：氨作为氢载体有哪些优缺点？
A：氨被研究人员认为是"最具前景"的氢载体选项。优点在于：氨由氢气与空气中的氮气反应生成，该反应经过深入研究且已实现商业化；氨的运输和储存基础设施已相当完善，成本和技术成熟度较高。主要缺点是：从氨中释放氢气所需的逆反应目前研究尚不充分，技术成熟度有待提升。
