《Energy Strategy Reviews》：Transporting the future: A methodology and case study for pipeline imports of hydrogen derivatives to Germany
德国能源转型将要求从可再生能源潜力较高的地区大规模进口氢及其衍生物。尽管基于管道的氢进口与基于船运的氢衍生物进口已被广泛讨论，但液态衍生物的管道进口仍缺乏充分研究。现有文献中的成本分析往往忽略流体特异性物性、压力损失以及地理因素。本文提出了HyTROM+，这是一种基于地理信息系统（GIS，地理信息系统）的方法学，用于确定氢、CO2、甲醇、费托（Fischer-Tropsch，FT）粗油和煤油的最优管道路由及平准化运输成本（LCOT，levelized cost of transport），并同时考虑新建与再利用管道。该模型整合地理因素、流体力学和技术经济参数，以优化管道路由并给出流体特异性的LCOT估计。案例研究表明，即使穿越高海拔阿尔卑斯地形，通过管道运输液态氢衍生物的成本效益也可能比运输氢或CO2高10倍。敏感性分析识别出管道资本性支出（CAPEX，capital expenses）、基础设施再利用以及加权平均资本成本（WACC，weighted average cost of capital）是主要成本驱动因素。结果强调，在基础设施规划中考虑液态衍生物管道进口具有战略重要性，并表明再利用现有油气管道可能带来显著成本优势。
该文发表于《Energy Strategy Reviews》，聚焦德国气候中和转型背景下氢及其衍生物跨境运输的基础设施选择问题。研究背景在于，德国未来仍将依赖能源进口，尤其是钢铁、化工、化肥、炼油、航空、航运以及电力系统长期储能等难减排部门，对氢及其衍生物的需求将持续增长。现有研究已较多讨论气态氢的管道运输与氢衍生物的海运路径，但对于液态氢衍生物是否可通过管道进行大规模、低成本运输，研究仍明显不足。尤其在现有成本评估中，流体密度、黏度、运行压力、沿程摩擦损失、海拔变化、土地利用与人口密度等关键因素往往被简化或忽略，导致不同流体间运输成本可比性不足，也难以支撑德国未来进口战略与产业链布局的系统判断。因此，开展能够同时耦合地理空间信息、流体力学特性和技术经济参数的建模研究，具有明确的方法学与政策意义。
围绕这一问题，研究人员在原有HyTROM模型基础上扩展开发了HyTROM+，构建了一个适用于气体与液体流体的管道运输路线优化与平准化运输成本测算框架。该模型不仅覆盖氢、液化CO
2、甲醇、FT粗油和煤油等多类介质，还将新建管道与既有油气管道再利用两种基础设施方案纳入统一比较框架。研究人员通过引入流体特异性参数、压力损失计算、泵和压缩机配置、资本性支出、运行维护成本以及区域加权平均资本成本等信息，将每个地理网格单元的运输成本量化，并以此作为Dijkstra算法的边权来求解最低成本路径。随后，论文以意大利的里雅斯特至德国卡尔斯鲁厄、跨越阿尔卑斯地区的通道为案例，对20英寸管道情景进行验证和展示。研究结论显示：液态氢衍生物在管道运输中的经济性显著优于气态氢与CO
2；在多数情形下，再利用既有油气管道可显著降低运输成本；液体衍生物虽然在绝对泵送功率上更高，但按单位能量计，其运输成本与能量损失更低；而氢由于能量密度低、压力要求高，其LCOT明显偏高。论文的重要意义在于，为德国乃至欧洲未来氢基能源进口体系的路线选择、基础设施改造和跨境供应链规划提供了更细粒度、可比较、可拓展的分析工具，也提示政策制定者不应仅关注气态氢主干网建设，而需将液态衍生物管道进口纳入战略视野。
就主要技术方法而言，研究人员首先构建了基于GIS（地理信息系统）的空间栅格数据体系，纳入距离、高程、坡度、土地利用、人口密度、海深及现有油气管道走廊等地理约束；其次，采用Dijkstra最短路径算法开展最小成本路径分析；再次，结合流体力学模型逐网格计算不同流体在管段中的摩擦损失与海拔损失，并据此配置泵送或压缩需求；最后，综合管道与泵站CAPEX、O&M（operation and maintenance，运行与维护）、电价、WACC和再利用成本因子，测算各流体的LCOT。案例研究样本并非生物或人群队列，而是选取跨阿尔卑斯的里雅斯特—卡尔斯鲁厄进口走廊作为空间分析对象。
以下结合论文主体结构，对研究结果进行归纳解读。
1. Introduction
引言部分首先说明德国在气候中和未来中仍将依赖外部能源输入，本土可再生能源资源难以满足长期终端需求，特别是难电气化工业部门与国际航空、航运部门。研究人员据此提出，氢及其衍生物将成为未来能源系统和化工原料体系的重要支柱。论文进一步指出，德国未来究竟应进口“绿色气体”——即氢与CO
2，还是进口中间体如甲醇、FT粗油，抑或直接进口终端燃料与高价值化学品，实质上取决于全供应链成本比较。运输成本在其中占据关键地位，而现有文献主要比较氢管道与衍生物海运，对液态衍生物管道方案关注不足，这正构成本文的问题导向。
1.1. The role of hydrogen derivatives in Germany's future energy system
该节指出，甲醇、氨、合成柴油、FT粗油以及eSAF（electro-sustainable aviation fuel，电合成可持续航空燃料）等氢衍生物，在化工、炼油、海运和航空部门都具有重要地位。研究人员强调，当这些烃类由氢和CO
2合成时，DAC（Direct Air Capture，直接空气捕集）来源的CO
2对于实现闭环碳循环尤其关键。然而，CO
2获取与运输同样带来成本权衡，这进一步说明必须将不同中间体和原料的进口形式纳入统一评估体系。
1.2. The role of transport costs and pipelines in hydrogen supply chains
该节通过德国进口战略背景说明运输成本对进口竞争力的决定作用。论文指出，至2030年德国拟进口45–90 TWh的氢及其衍生物，运输方式将影响总供给成本以及下游产业链布局。研究人员总结既有研究发现：大规模运输中，管道通常比公路和铁路更经济；但当前文献主要将氢衍生物视为船运对象，而对其规模化管道运输未充分展开。同时，全球油气需求中长期下降预示大量现有油气管道可能出现闲置，若能再利用，将可能形成显著成本优势。
1.3. Research gaps in modelling pipeline transport of hydrogen derivatives
该节明确论文的核心研究缺口：缺乏同时考虑流体性质、地理约束、压力损失与设备需求的氢衍生物管道运输综合评估模型。研究人员指出，不同流体的密度、黏度和运行压力存在本质差异，决定了管材需求、摩擦损失和泵送能耗。与常温液体相比，气体需要更高操作压力以提高能量密度，从而推高CAPEX；而液体虽有较大摩擦与高程损失，但总体运输成本可能更低。现有HyTROM虽可用于氢管道选线，但尚不能满足多流体比较需求。
1.4. Research question and paper structure
该节提出中心问题：海拔及其他地理空间和技术参数如何影响氢、CO
2、FT粗油、甲醇和煤油的管道LCOT，不同流体的关键成本驱动因素分别是什么。为回答这一问题，研究人员扩展HyTROM并通过案例研究展示其适用性。
2. Model framework: HyTROM+
模型框架部分系统介绍HyTROM+。研究人员说明，该工具基于Python开发，能够分析最优管道路由、压力损失及对应LCOT，适用于气态与液态流体。其方法学核心是把地理空间约束、流体物性和经济参数耦合起来，实现路线—压力—成本的一体化计算。
2.1. Profound extensions to HyTROM
该节说明HyTROM+相对于原始HyTROM的主要扩展。原模型仅针对氢的GIS选线，而HyTROM+新增了CO
2、甲醇、FT粗油和煤油，加入了流体密度、黏度、压力要求、泵站与压缩机参数、再利用情景以及成本分解输出。研究人员据此实现了不同流体、不同基础设施方案之间的可比分析。
2.2. Data input
输入部分将参数分为三类：地理因素、技术参数和经济参数。地理因素包括距离、高程、坡度、土地利用、人口密度、海深、管道走廊与WACC；技术参数包括相态、温度、压力、黏度、热值、粗糙度等；经济参数包括流体特异性管道和泵站CAPEX、寿命、运行维护比例、满负荷小时数（FLH，full-load hours）和电价。该部分奠定了后续分流体成本测算的基础。
2.2.3. Data processing
数据处理分为四步：模型初始化、逐网格压力损失计算、逐网格LCOT计算，以及基于Dijkstra算法的最低成本路径求解。论文强调，将LCOT而非单纯距离设为路径权重，是模型相较传统选线方法的重要提升，因为它使地理、技术和经济要素得以同时体现在最终路线中。
2.2.4. Output
模型输出包括最优路径、压力损失、泵送需求、总LCOT以及成本构成。新增的高程剖面与摩擦损失、海拔增益/损失等结果，有助于解释不同流体在山地地形中的运输表现差异。
3. Case study: importing hydrogen derivatives from Trieste to Karlsruhe
案例研究选择里雅斯特至卡尔斯鲁厄通道，目的在于通过高海拔阿尔卑斯地形对模型进行“压力测试”。研究人员设定20英寸管道，以保证氢运输具有一定规模，同时避免对液体运输形成明显过度放大。该案例并不代表所有进口通道的平均水平，而是用于检验地形起伏条件下不同流体的成本和路线差异。
3.1. Model initialization
该节给出了起终点、直径、质量流量和泵间距等初始条件。不同流体在同一管径下的通量差异非常明显，反映出其密度和输送特性的不同。穿越国家的WACC差异也被纳入分析，使路线选择不仅受地形和基础设施影响，也受到融资环境影响。
3.2. Routing
研究结果表明，模型求得的实际管道长度比起终点直线距离长18%–22%。新建情景下，氢路径最长，而CO
2、FT粗油、甲醇和煤油略短；再利用情景下，各流体路径更趋一致。研究人员发现，所有流体的路线都倾向于同时避开高海拔、陡坡、高人口密度与高强度土地利用区域，并在经济可行时尽量借助既有油气管道走廊。新建管道虽然并非全程贴合既有TAL（Transalpine Pipeline，跨阿尔卑斯管道）走廊，但可与既有基础设施对齐达约三分之二；再利用方案则几乎完全依托现有基础设施。这说明地理约束与基础设施可得性共同塑造最优路径，而高压流体由于CAPEX更高，对既有走廊的依赖更强。
3.3. Pressure losses
压力损失分析显示，FT粗油所需泵功率最高，氢最低。再利用管道通常由于壁面粗糙度增加和路线更长而具有更高压力损失，但CO
2受海拔影响更显著。若按单位能量输送衡量，氢的压缩能耗占比最高，新建与再利用情景分别约为0.8%和1.1%；甲醇、FT粗油和煤油则更低。该结果表明，虽然液体在绝对泵送功率上较大，但其较高能量密度使单位能量运输损失更小，从而改善整体经济性。
3.4. Levelized cost of transport (LCOT)
LCOT结果是论文最核心的发现之一。研究人员表明，液体管道运输以及既有管道再利用均具有显著经济优势。对于氢，再利用可将质量口径LCOT从0.38 �
2023/kg降至0.13 �
2023/kg，降幅约65%；液体如FT粗油、甲醇和煤油的新建管道质量口径LCOT约为0.01 �
2023/kg，再利用后降至约0.005–0.006 �
2023/kg。按能量口径比较，液体烃类仅为0.8–1.9 �
2023/MWh
lhv（新建）和0.4–1.0 �
2023/MWh
lhv（再利用），显著低于氢。CO
2则因高压需求、再利用潜力低和CAPEX高而表现出较高LCOT。成本结构上，氢的主导成本为管道CAPEX，而液体则更多由管道与泵送设备CAPEX共同驱动；在再利用液体管道中，泵相关CAPEX和可变OPEX占比进一步上升。
3.5. Sensitivity analysis
敏感性分析表明，管道CAPEX、WACC和基础设施再利用是LCOT最主要的驱动因素。管道CAPEX变化可导致氢LCOT最高约±47%、液体约±35%的波动；WACC影响可达约±20%；泵CAPEX和电价影响相对较小。无高程情景主要降低液体LCOT，对氢影响不明显。研究人员据此指出，地形更大程度影响选线，而非根本改变各流体之间的相对成本排序。
4. Discussion
讨论部分对结果稳健性、外部文献对比及模型局限进行总结。研究人员认为，本研究填补了多流体、含路线优化与压力损失的一体化模型空白。与DeSantis et al.、Galimova et al.、Papadias et al.等研究相比，尽管参数设定存在差异，但相对趋势是一致的，即氢运输成本高于甲醇，油类最低，并普遍存在规模经济。与船运成本比较时，论文指出在本案例条件下，新建管道通常高于船运成本，尤其是FT粗油和甲醇；但由于运距、运量设定和是否纳入液化/再气化、合成/裂解等转换环节不同，二者尚不能直接下结论。局限性方面，论文承认统一20英寸管径、OPEX简化、6.5 km × 6.5 km栅格平均高程、未考虑土壤类型和地质灾害等，可能影响局部路由与绝对成本，但不改变流体间的相对LCOT排序，也不削弱再利用基础设施的成本优势判断。
5. Conclusions and recommendations for action
结论部分指出，国际氢及其衍生物贸易将在未来能源系统中发挥关键作用，而管道运输液态氢衍生物在特定条件下可能具备显著成本与基础设施优势，尤其适用于缺乏海运直连的地区。现有能源系统研究常忽视或过度简化氢衍生物管道进口，本文通过构建整合地理、基础设施与技术经济参数的HyTROM+框架，弥补了这一缺口。研究结论表明，流体特异性物性显著影响压力要求、CAPEX及既有基础设施再利用可行性；与空间数据和基于Dijkstra的路径优化相结合后，可实现氢、CO
2、FT粗油、甲醇和煤油的可比LCOT评估。里雅斯特—卡尔斯鲁厄案例显示，尽管液体需要较高泵送功率，但其LCOT明显低于气态氢；按单位质量计算，气态氢运输成本最高可比液态氢衍生物高35倍，按单位能量计算最高可高10倍。再利用现有油气基础设施通常可带来显著成本优势，但对CO
2传输并不适用。敏感性分析进一步确认，管道CAPEX、基础设施再利用和WACC是最关键成本驱动因素，而电价和泵CAPEX作用次之。总体而言，该模型可为战略层面的进口评估提供可靠支撑；未来研究应进一步纳入GIS选线、基础设施再利用潜力、通量变化以及管道与船运组合的混合运输链，并在政策制定中采用覆盖完整供应链、原料可得性、基础设施再利用与韧性问题的系统性分析框架。
