可再生能源集成海事与交通系统的储能：基于智慧城市与物流网络跨部门视角的综述
2026-10-09 17:47:45
本综述探讨了可再生能源集成海事与交通系统中的储能应用，重点关注港口和海事基础设施，并辅以对智慧城市能源系统和物流网络相关发展的跨部门视角。采用基于PRISMA 2020框架精选要素的结构化文献检索与筛选程序，以支持相关文献的透明识别与整理。用于更广泛跨部门解读的智慧城市和物流证据，与通过结构化筛选过程保留的文献有所区别，且未包含在已筛选文献报告的定量主题频率中。本综述从储能时长、运行灵活性、技术成熟度、基础设施需求、效率考量以及部署障碍等方面，对电池储能系统、氢能储能、燃料电池和混合配置进行了比较研究。综合表明，电池特别适用于短时间、高响应的应用场景，而氢能路径则能提供长时储能和部门耦合能力，但代价是需要额外的转换阶段和基础设施。因此，混合架构成为将短期灵活性与更长时能源自主相结合的重要途径。这些研究结果被整合到一个跨部门视角中，将可再生能源发电、储能、港口、海运、物流基础设施和城市能源系统联系起来。
关键词：
储能系统; 可再生能源并网; 海洋能源系统; 港口微电网; 海事脱碳; 电池储能系统; 氢能储能; 混合储能系统; 运营韧性; 智慧城市; 物流网络
为应对气候变化、日益增长的能源需求以及国际温室气体（GHG）减排承诺，全球向低碳能源系统的转型正在加速。尽管通过部署可再生能源在电力生产脱碳方面已取得实质性进展，但交通系统仍严重依赖化石燃料，继续成为实现净零目标的主要挑战。在此背景下，海运部门因其在全球交易和供应链中的核心作用，占据着尤为重要的地位。海运承担了约80%的国际交易货量，对于经济发展和国际互联互通依然至关重要[1]。然而，该行业对全球排放的贡献也十分显著，并且面临着越来越大的压力，需要与国际海事组织（IMO）确立的脱碳路径以及更广泛的国际气候目标保持一致。
港口正成为这一转型中的关键参与者。传统上作为物流和货物装卸设施的港口，正日益演变为综合能源枢纽，支持可再生能源发电、电气化、替代燃料以及先进的能源管理系统[2]。港口的转型受到更严格的环保法规、港口运营电气化以及可再生能源基础设施投资不断增长的推动。因此，现代港口不仅有望促进交易，还将通过部署低碳技术和韧性能源系统，为区域能源转型做出积极贡献。
可再生能源部署面临的一个根本挑战是太阳能光伏和风能等资源的不连续性和波动性。尽管这些技术带来了显著的环境效益，但如果管理不当，其波动的输出可能会损害系统的可靠性和运行灵活性。因此，储能系统（ESSs）已成为可再生能源整合的关键赋能技术，支持供需平衡、峰值读档管理、电网稳定和能源韧性[3]. 最近的技术发展显著扩大了可用储能解决方案的范围，包括电池储能系统（BESSs）、氢能储能、燃料电池、超级电容器和混合储能架构，每种方案根据运行需求和储能时长提供不同的优势。
在海事和港口环境中，储能技术正越来越多地被部署，以支持船舶电气化、岸电供应、港口微电网、可再生能源整合以及替代燃料基础设施。电池储能系统因其高效率、快速响应能力和运行灵活性，在渡轮、近海航运和港口运营中展现出巨大潜力[4,5]。然而，电池技术仍受限于能量密度、充电要求、循环寿命衰减以及长时储能能力。因此，人们越来越关注氢基储能系统和燃料电池技术，将其作为能够支持大规模、长时储能的补充解决方案，同时作为替代航运燃料[6,7].
氢气正日益被视为海事脱碳路径中的战略能源载体，因为它能同时促进可再生能源储存、部门耦合和零碳燃料生产。通过电解，多余的可再生电力可转化为氢气，进行长期储存，随后在燃料电池或燃烧系统中用于交通运输应用。近期研究强调了集成可再生能源-氢能系统的潜力，该系统可增强能源独立性、提高可再生能源利用率，并支持低碳海事运输[8,9]. 参考文献 [9], 例如，证明了混合风能-太阳能-氢能系统的技术经济可行性，该系统每年可生产约729吨绿氢，同时支持氢能轮渡运营，并实现82.8%的可再生能源占比。这些研究结果表明，作为综合海洋能源系统的一部分，氢能储存的重要性日益凸显。
除了传统的港口基础设施，海上能源枢纽和模块化能源岛（MEIs）等新兴概念进一步扩展了能源存储在海洋能源转型中的作用。这些系统将海上可再生能源发电、氢气生产、存储基础设施和海上燃料加注服务整合为综合平台，能够支持可持续航运和去中心化能源供应链。近期研究表明，海上氢气生产和存储设施可作为船舶未来的加注节点，同时增强能源韧性并减少对陆基燃料供应链的依赖[10]。尽管在技术、经济和监管方面仍面临重大挑战，但这些概念凸显了海运、可再生能源系统与储能技术之间日益增强的融合趋势。
储能的重要性已超越了港口和航运活动。智慧城市能源系统、城市交通基础设施和物流网络正日益融入可再生能源发电、电气化交通、数字化能源管理平台以及分布式储能技术。储能通过需求响应能力、削峰填谷、电动汽车充电支持和应急供电，增强了这些系统的灵活性和韧性。因此，港口、城市能源系统、物流走廊和工业设施正通过综合能源生态系统日益紧密地互联，这些系统依赖先进的储能技术来协调跨多个领域的能源流动。
尽管该领域的研究快速增长，但现有的综述研究通常集中在单一技术或特定应用领域。以往的综述研究了可持续港口发展[11]、氨基海洋能源系统[12]、氢燃料船舶[6]、海洋燃料电池技术[4]以及船载能源管理系统[3]。虽然这些研究提供了宝贵的特定技术见解，但证据在不同储能技术和应用领域之间仍然是碎片化的。特别是，较少有研究批判性地比较短时电化学储能、长时氢能路径、燃料电池转换和混合配置在可再生能源集成海事与港口系统中的运行角色，同时考虑这些基础设施如何与相邻的物流和城市能源网络相互作用。这种碎片化使得难以确定各技术之间何处互补、其局限性在何处变得具有运行意义，以及储能应如何在新兴的多能运输生态系统中定位。
为填补这一空白，本研究对可再生能源集成海事与交通系统中的储能应用进行了结构化综述。文献检索与筛选采用了基于PRISMA 2020框架部分要素的结构化流程，但并未声称完全符合PRISMA作为系统综述报告标准的规范。本综述涵盖了2020年至2026年6月期间发表的同行评审文献，探讨了储能技术如何助力可再生能源集成、提升运行韧性、促进可持续发展以及实现脱碳目标。研究重点关注电池储能系统、氢能储存技术、燃料电池、混合储能配置、港口微电网、岸电系统以及替代燃料基础设施。随后，这些系统性发现将在更广泛的跨部门视角下进行解读，该视角整合了相关的智慧城市能源系统和物流网络。
本研究主要有三项贡献。首先，它系统地综合了储能技术在可再生能源集成海运、港口及相关运输系统中的作用和应用领域。其次，它通过区分储能时长、系统灵活性、技术成熟度、基础设施依赖性、效率考量和实施约束等方面的运行角色，对主要储能路径进行了比较解读，从而阐明了为什么电池、氢能系统、燃料电池和混合配置应被视为互补方案而非完全可替代的方案。第三，它发展了一种跨部门的概念视角，将可再生能源发电、储能与转换技术、港口与海运、物流基础设施以及相邻的城市能源系统联系起来，突出了从特定技术的部署向互联的多能源生态系统的转变。
2. 材料与方法
2.1. 研究设计
本研究设计为一项综述，由结构化的文献识别和筛选程序支持。文献综述为识别、组织和综合现有研究提供了一种结构化方法[13]。因此，采用了结构化的文献检索、预设的纳入标准、筛选程序、文献特征描述和主题综合，以支持透明且一致的综述过程。PRISMA 2020框架的选定要素[14] 被用作方法论指导，以提高文献识别和筛选的透明度；然而，该研究并未作为正式的PRISMA系统综述进行或报告。
本次综述的主要目标是综合关于储能技术对海事和港口能源系统中的可再生能源整合、运营韧性、可持续性和脱碳贡献的证据。由于港口与陆基交通、物流和城市能源基础设施的互动日益增加，随后利用来自智慧城市能源系统、城市交通基础设施和物流网络的选定证据，在更广泛的跨部门背景下对系统性发现进行了阐释。
本背景文献用于考察系统评价证据与相邻能源及交通系统之间的接口，而非构成对完整智慧城市或物流文献的独立系统评价。因此，超出预设系统评价入选标准的背景资料未被纳入115项研究的数据集、PRISMA研究筛选计数，或在第3.1节和第3.2节中报告的定量主题频率。这种区分保留了既定的系统性证据库，同时允许透明地讨论其对互联的港口-城市-物流能源系统的影响。
2.2. 文献检索策略
2026年6月，使用Scopus和Web of Science核心合集数据库进行了结构化的文献检索。选择这些数据库是因为它们广泛覆盖了能源系统、工程、交通、海事研究、可持续性和环境科学领域的同行评审文献。
检索策略围绕四个主题概念组展开(表1):
表1。文献检索策略中使用的主题概念组和代表性关键词。
- 储能技术；
- 可再生能源并网；
- 海事、港口、配对、运输和物流应用；
- 韧性、可持续性和脱碳成果。
布尔运算符（AND、OR）和截断符号被用于组合四个概念组内的关键词。代表性搜索词包括“储能”、“电池储能”、“氢能储存”、“燃料电池”、“可再生能源”、“太阳能”、“风能”、“海事”、“航运”、“港口”、“物流”、“运输”、“韧性”、“可持续性”和“脱碳”。
所使用的检索式见表2如下。
表2。在Scopus和Web of Science中使用的检索词。
检索范围仅限于2020年至2026年6月期间发表的英文期刊文章和综述论文。会议论文集、社论、简报、书籍章节、学位论文及其他形式的灰色文献均被排除在外。重要的是，列于表1中的代表性关键词并未作为独立检索项使用。如 所示的完整数据库检索字符串表明表2，搜索需要通过布尔AND运算符同时交叉四个主题概念组：(i) 储能技术，(ii) 可再生能源整合，(iii) 海事、港口、航运、运输、物流及相关应用术语，以及 (iv) 韧性、可持续性和脱碳成果。因此，通过数据库检索确定的248条记录代表了在所述出版物类型、语言和时间限制下，该联合检索结构的检索结果，而非与任何单个关键词或概念组相关的全部文献。
2.3. 纳入标准
预先设定的纳入和排除标准旨在确保筛选过程的一致性（表3).
表3。筛选过程中应用的纳入和排除标准。
纳入标准如下：
- 研究储能技术或系统；
- 涉及可再生能源整合；
- 侧重于海事、港口、运输、配对、物流或相关能源应用；
- 调查了可持续性、韧性、脱碳或能源转型成果；
- 发表于同行评审期刊；
- 以英文撰写；
- 发表于2020年至2026年6月期间。
排除标准如下：
- 未涉及储能技术；
- 仅聚焦于传统化石燃料系统；
- 与海事、交通、物流或能源转型背景缺乏相关性；
- 为会议论文、社论、报告、学位论文或书籍章节；
- 非英文文献。
%% 表3中的标准用于指导识别与本综述主要海事和交通重点相关的文献。本文稿稍后讨论的更广泛的智慧城市和城市能源文献，主要用于对海事、交通、物流及相邻能源系统之间接口的背景解读。仅用于此更广泛背景讨论的来源，与通过主要筛选程序保留的出版物分开考虑。采用结构化的文献特征框架对保留的出版物信息进行整理，包括出版年份、期刊、研究类型、地理重点、储能技术、可再生能源、应用领域、方法论、主要发现、识别的挑战以及未来研究方向。提取的证据随后被归纳为主题类别，以便在不同研究之间进行比较分析和综合。
2.4. 研究筛选流程
从Scopus和Web of Science检索到的所有记录均被导出并导入Rayyan，这是一个专门为方便文献筛选和重复项管理而设计的基于Web的平台[15].
初始检索共获得248条记录，其中Scopus来源126条，Web of Science来源122条。通过Rayyan的自动检测功能识别重复记录，随后进行人工核实。剔除重复项后，剩余176条唯一记录用于标题和摘要筛选。
未满足预设纳入标准的记录被排除。剩余的文献经过全文评估，以确定其与综述范围的相关性。经过筛选过程，115篇文献被保留作为为综述提供参考的更广泛文献库，并满足了表3稿件中引用的参考文献代表了专门用于支持叙述、比较分析、表格和讨论的来源，因此并不构成筛选过程中保留的所有出版物的详尽书目列表。文献识别和筛选程序，包括识别、去重、筛选和保留相关出版物，总结在图1.
图1中呈现的预设标准。用于为综述提供参考的文献识别和筛选流程图。该流程参考了PRISMA 2020框架的选定要素，以支持文献识别和筛选的透明报告。
2.5. 数据提取与编码
在纳入的研究中，如果有所报道，则在对研究结果进行比较解释时，还会额外考虑特定技术的经济和技术特征，特别是与效率、储能时长、降解与耐用性、技术成熟度、基础设施要求以及成本相关限制有关的特征。由于纳入的文献中这些特征所采用的系统边界、运行条件、方法论假设和经济基础各不相同，因此它们是在各自的应用背景下进行解读的，而非被视为直接标准化的性能指标。
2.6. 主题合成
提取的信息通过主题分析方法进行合成，其中保留的出版物被编码并归类为与储能技术、可再生能源整合、应用领域、运营挑战和未来研究方向相关的重复性主题类别。保留的文献通过主题分析方法进行合成，其中出版物被编码并归类为与储能技术、可再生能源整合、应用领域、运营挑战和未来研究方向相关的重复性主题类别。该主题合成参考了已建立的文献综述和证据合成方法[13,16]，从而能够识别筛选文献中的高阶主题。这些主题包括电池储能系统、氢能储能技术、燃料电池应用、混合储能配置、可再生能源整合、港口微电网、岸电系统、海事脱碳以及运营韧性。这些主题构成了后续比较综合与讨论的基础。此外，研究结果在涵盖智慧城市能源系统、城市交通和物流网络的更广泛跨行业背景下进行了解读。仅用于此更广泛背景解读的证据与通过主要筛选过程保留的文献相区别，未被纳入定量主题频率统计中。
这些主题构成了用于综合文献并识别技术趋势、实施挑战和未来研究方向的分析框架。由于纳入的证据包含异质性的研究设计、技术、应用、系统边界和分析方法，因此未进行统计学元分析。所综述的研究包括技术经济评估、优化与模拟研究、生命周期评估、案例研究和综述文章，其结果通过不同的技术、经济、环境和运营指标进行报告。因此，证据是通过结构化的主题和比较分析进行综合的，而非对非等效结果进行统计汇总。
2.7. 局限性
应承认存在若干方法学上的局限性。首先，结构化文献检索仅限于Scopus和Web of Science收录的出版物，可能排除了其他数据库中可获取的相关文献。其次，仅考虑了英文出版物，存在语言偏倚的可能性。第三，文献识别程序参考了PRISMA原则以提高透明度，但并非设计为正式的系统评价方案，且未进行前瞻性注册。因此，对筛选文献报告的描述性频率应被视为所识别文献库中主题流行程度的指标，而非系统性或元分析的估计值。最后，文稿中引用的参考文献代表了为证实叙述和比较综合而选取的来源，并不构成通过筛选程序保留的所有出版物的详尽书目。
未对纳入的出版物采用标准化的评估工具进行正式的研究层面偏倚风险或方法学质量评估。证据库包含异质的方法学设计，包括综述研究、技术经济评估、优化模型、基于模拟的分析、生命周期评估和案例研究。因此，研究结果被综合为对报告证据的结构化比较评估，而非干预效果的质量加权估计。因此，在解释综合研究结果的强度和普适性时，应考虑缺乏正式的研究层面评估这一因素。
最后，由于保留的文献在技术、应用、系统边界、运行条件和分析假设方面存在差异，直接比较技术和经济指标受到限制。因此，比较综合分析侧重于一致可识别的技术特征、应用角色和实施权衡，而非汇总的技术或经济性能估算。
3. 结果
3.1. 纳入研究的特征
通过结构化的文献检索与筛选程序，最终保留了115篇文献作为为本综述提供参考的更广泛文献库。保留的文献时间跨度为2021年至2026年，涵盖了多种方法论，包括综述、技术经济评估、优化模型、基于模拟的分析、生命周期评估和案例研究。
如表4所示，在最终数据集所代表的年份中，出版活动显著增加，大多数研究发表于2024年及以后。这一趋势反映了人们对港口、交通系统和物流基础设施中的海运脱碳、可再生能源整合、氢能技术和储能应用日益增长的关注。观察到的出版物产出增加，恰逢国际脱碳政策的加速、国际海事组织修订的温室气体策略的采纳，以及基于电池和氢能的能源系统技术的快速发展[1,17]。所综述的研究采用了多种方法论途径，包括系统综述、技术经济评估、优化模型、基于模拟的分析、生命周期评估（LCA）以及案例研究。这些研究在分析目标上也存在差异，评估内容涵盖了将可再生能源和储能技术整合到海事与交通系统中的技术可行性、经济表现、环境影响以及运营影响。这种方法论和分析上的异质性与近期探讨海事脱碳路径及可再生能源集成能源系统的综述研究相一致[3,4].
表4。筛选后保留文献的出版年份分布。
文献的地理分布显示，欧洲和亚洲的研究活动十分活跃，特别是在拥有先进海事产业、雄心勃勃的脱碳战略以及在可再生能源基础设施方面投入巨资的地区。一些研究聚焦于特定港口、岛屿、航运走廊和沿海能源系统，而另一些研究则探讨了适用于多种地理背景的更广泛的技术路径。代表性案例包括对氢能枢纽和港口能源系统的研究[18,19]、可再生能源驱动的港口[20,21], and hybrid maritime energy systems [5,22].
总体而言，所纳入的证据具有跨学科性，结合了能源系统、海洋工程、交通运输、可持续发展科学和物流管理等多个领域的视角。这种应用和分析视角的多元化进一步表明，本综述所探讨的储能技术在海事和交通能源系统中发挥着不同的功能，这支持了根据应用和系统背景而非单一性能标准进行比较解读的必要性。
表4总结了纳入研究的发表年份。
3.2. 主要研究主题
通过结构化筛选过程保留的115篇出版物的专题编码显示，研究高度集中在可再生能源整合、脱碳策略、储能技术和氢基系统。表5中报告的频率描述了这些主题在筛选文献中的出现情况，并用于刻画保留出版物池中的广泛研究趋势。可再生能源整合和脱碳成为主导主题，反映了人们日益重视减少海运排放以及提高港口和交通基础设施的可持续性。每个主题报告的频率源自对完整115项研究数据集的主题编码；随附讨论中引用的单项研究以及表5中报告的频率这些仅作为代表性示例，而非对每个主题类别所涉及的所有研究的详尽列举。
表5。筛选文献中确定的主要研究主题。
Renewable-energy integration was identified in 107 publications (93.0%), highlighting the prominence of solar, wind, and hybrid renewable-energy systems in contemporary maritime energy-transition research. Many studies examined renewable-energy generation within ports, islands, and coastal energy systems in combination with energy-storage technologies to improve operational flexibility and energy autonomy. Representative examples include renewable-powered ports, hybrid renewable-energy systems, and renewable-supported maritime microgrids [20,21,22].
Decarbonization strategies were identified in 108 publications (93.9%), making them the most frequently addressed research objective. The reviewed literature consistently examined pathways for reducing greenhouse-gas emissions through alternative fuels, electrification, renewable-energy integration, and energy-storage deployment. Several studies evaluated the environmental benefits of hydrogen, fuel cells, batteries, shore-power systems, and renewable-powered maritime operations as mechanisms for supporting international decarbonization targets [6,8,23].
储能技术构成了另一个主要的研究方向，出现在86篇出版物中（74.8%）。文献探讨了广泛的储能解决方案，包括锂离子电池、液流电池、氢储能系统、燃料电池和混合储能配置。储能通常被作为实现可再生能源整合、运行韧性、电网稳定性和船舶电气化的关键技术进行研究。多项研究强调了储能技术对于克服与可再生能源系统相关的间歇性挑战的重要性[24,25,26]。氢能系统在77篇出版物中被讨论（67.0%），证实了其在航运脱碳路径中日益增长的重要性。氢能既被作为可再生能源储存介质，也被作为航运和港口运营的低碳燃料进行研究。所综述的研究探讨了通过电解制氢、储氢技术、燃料电池应用、氢能枢纽以及集成的氢能港口能源系统。研究特别关注了氢能在实现长时储能和支持向零排放航运转型中的作用[7,19,27].
Ports and seaports were explicitly addressed in 59 publications (51.3%), reflecting the increasing recognition of ports as critical nodes within integrated energy and transport systems. Research within this theme focused on port microgrids, shore-power systems, renewable-energy deployment, hydrogen infrastructure, and smart-port energy management. Several studies highlighted the strategic role of ports in connecting renewable-energy generation, storage technologies, alternative fuels, and maritime logistics operations [11,28,29].
Microgrids and energy-management systems appeared in 49 publications (42.6%). These studies emphasized the importance of coordinated energy management for optimizing interactions among renewable generation, storage technologies, shore-power systems, and operational loads. Recent contributions increasingly model ports as integrated multi-energy systems that require advanced optimization and control strategies to achieve sustainability and resilience objectives [30,31,32].
最后，在18篇出版物中识别出了氨基系统（占比15.7%）。尽管在文献中所占比例较小，但由于其无碳燃烧特性以及与现有海事燃料基础设施的兼容性，氨已成为一种日益重要的替代燃料。然而，所综述的研究也强调了与安全、储存、加注操作和监管要求相关的挑战，这些因素继续限制着大规模部署[12,33,34].
总体而言，主题分布表明，当代研究主要集中在可再生能源、储能和替代燃料的整合上，以支持海事脱碳。研究结果进一步表明，研究重点正日益转向系统级方法，即在互联的海事和交通生态系统中，将可再生能源发电、储能技术、氢能基础设施和智能能源管理系统相结合。
3.3. 替代燃料与能源载体
向低碳海运和运输系统的转型，激发了人们对替代燃料和能源载体的浓厚兴趣，这些载体能够在保持运行可靠性和能源安全的同时，减少温室气体排放。所综述的文献表明，氢能、电池电力系统、氨、甲醇和液化天然气（LNG）构成了目前正在探索的主要技术路径，以支持海运脱碳和可再生能源的整合。
在所综述的研究中，氢气成为被研究最广泛的替代能源载体。除了作为航运燃料外，氢气正日益被视为一种长时储能介质，能够将可再生能源发电与交通应用相连接。综述研究探讨了可再生能源驱动的电解、氢气储存基础设施、燃料电池集成以及港口和船舶的氢气加注系统[6,7,8,19从储能角度来看，该路径与直接电池储能有着本质区别，因为可再生电力首先被转化为氢气，在随后需要用电时，再通过燃料电池或其他能量转换过程进行二次转换。这些连续的转换阶段会带来额外的能量损失和基础设施需求。因此，氢气应被视为电池储能的补充方案，而非效率等同的替代方案：其主要优势在于长时储能能力、燃料功能，以及将可再生电力与海运及其他能源需求领域相连接的能力[6,7,8,19].
综合可再生能源-氢气系统为这种权衡提供了实践案例，利用过剩的太阳能或风能电力进行制氢，并随后用于航运能源。此类配置可以提高波动性可再生能源发电的利用率，并提供更长时储能，尽管这些优势必须与氢能路径带来的额外转换和基础设施需求一并考虑。在一项案例研究中，参考文献[9] 证明了风能-太阳能-氢能混合系统在技术和经济上的可行性，该系统每年可生产约729吨绿氢，同时支持氢能渡轮运营，并实现82.8%的可再生能源占比。这一案例表明，氢能储能的价值不仅取决于转化效率，还取决于其吸收可再生能源发电量并为交通应用提供储存能量的能力。
电池电力系统是文献中确定的第二条主要路径，其储能特性与氢能系统形成鲜明对比。锂离子电池因其高回合效率、快速响应和技术成熟度，特别适用于近海航运、渡轮、港口作业、港口装备以及集成可再生能源的微电网[4,5]. 它们直接的储能路径避免了与“电-氢-电”配置相关的多级能量转换阶段，使得电池在需要频繁循环和短时间运行灵活性的场景中具有显著优势。然而，随着能量和运行范围要求的提高，其适用性会降低，因为能量密度限制、充电要求和寿命衰减变得日益重要，特别是在长距离海事应用中[3,4因此，证据表明存在根本性的应用权衡：电池有利于高效且响应迅速的短时电力存储，而基于氢能的路径则以额外的转换和基础设施需求为代价，提供了更长时和与燃料相关的灵活性。
在航运脱碳研究中，氨已成为一种日益重要的无碳燃料候选者。当使用可再生氢生产时，氨为储存和运输可再生能源提供了一条替代路径，并且在体积能量密度和与航运燃料供应链的兼容性方面比氢气具有实际优势[12,33]. 这些特性使得氨在深海应用中尤为重要，因为在这些应用中，存储体积和运行范围限制了直接的电池电力解决方案。然而，这些存储和运输优势必须与可再生电力转化为氢气再转化为氨的路径中额外的转换需求相权衡，同时还要应对与毒性、安全性、燃烧性能和监管认可相关的挑战。因此，氨扩展了可再生能源衍生化学能的存储和运输潜力，但并未消除与化学能存储路径相关的转换和基础设施成本。
甲醇作为替代航运燃料也受到了越来越多的关注。与氢气和氨相比，甲醇的优势在于已成熟的生产路径、更易储存的条件以及与现有加注基础设施的兼容性。近期研究表明，可再生甲醇可能为向低碳航运过渡提供一条路径，同时支持航运燃料系统的逐步适应[23,34]。然而，甲醇的环境效益在很大程度上取决于生产路径和原料来源，特别是在考虑生命周期排放时。
液化天然气（LNG）在文献中仍作为一种过渡燃料选项出现。尽管与传统船舶燃料相比，LNG可以减少某些污染物的排放，但由于甲烷逃逸和对化石燃料供应链的持续依赖，多项研究对其与净零目标的长期兼容性提出了质疑[21,27因此，近期的研究越来越多地将液化天然气（LNG）定位为一种过渡性的脱碳措施，而非长期解决方案。
在所回顾的研究中，一个反复出现的发现是，似乎没有任何单一燃料路径能够满足所有海事运营需求。相反，越来越多的文献支持组合方案，即根据船舶类型、航程特征、能源需求概况和基础设施可用性，部署电池、氢气、氨、甲醇和其他能源载体。近海运营和港口活动通常与电池电力解决方案相关联，而氢气和氨则更多地被提议用于长距离和高能耗的海事应用。
总体而言，所综述的文献表明，由于氢气兼具能量储存介质和低碳燃料的双重角色，目前在替代能源载体中占据最突出的地位。同时，电池在短期电气化战略中继续占据主导地位，而氨和甲醇正成为深海航运和长途运输应用中极具前景的候选方案。这些研究结果凸显了在未来的海事和交通能源生态系统中，储能技术与替代燃料战略之间日益趋同的趋势。
从储能角度来看，因此应将这些替代燃料与直接储电技术区分开来。电池通过电化学方式储存电能以供后续使用，而可再生氢和氢衍生燃料则作为化学能量载体，其价值日益取决于储存时长、可运输性、燃料功能性、部门耦合以及转换效率。在比较技术时，这种区分至关重要，因为没有任何单一性能指标能充分代表直接储电和基于燃料的化学能量路径。
表6总结了所综述文献中确定的主要替代燃料和能量载体。
表6。综述文献中识别的替代燃料与能源载体的比较特征。
比较显示表6突出了技术适用性取决于所需的能源服务功能，而非单一性能属性：电池电力系统有利于高效且响应迅速的电能存储，而氢气及氢衍生载体在长时存储、可运输性及燃料应用方面具有优势，但涉及额外的转换、基础设施和安全限制。
3.4. 储能技术与应用
储能技术是可再生能源集成海运和运输系统的重要赋能组件。所综述的证据表明，技术选择取决于所需的存储功能和应用背景，而非单一性能特征。已确定的主要储能路径——电池储能系统（BESS）、氢能储能、燃料电池系统、混合储能架构以及新兴的长时储能解决方案——在储能时长能力、响应特性、效率、技术成熟度、基础设施要求和实施约束方面存在差异。因此，下文将根据这些技术在海事和港口应用中的功能与工程权衡进行评估。
电池储能系统（BESS）代表了适用于海事和交通领域的一种成熟储能路径。其高能量效率和快速响应特性，使其特别适用于需要频繁充放电操作和快速功率平衡的短时应用场景，包括渡轮、港口作业、港口装备、岸电支持以及集成可再生能源的微电网[4,5]。随着所需能量容量和运行时间的增加，它们的主要局限性变得日益突出，这主要是由于能量密度限制、退化、充电要求以及相关的更换和基础设施考虑因素 [3,4]。因此，它们在可再生能源集成海事系统中的主要价值在于高效的短时储能和快速的运行灵活性，而非长时能量供应。
多项研究强调，电池动力渡轮和混合动力船舶正日益成为近海航运路线中切实可行的脱碳解决方案[4,35]。在港口环境中，电池正越来越多地与光伏和风能系统集成，以提高能源自主性并减少对传统电网的依赖。此外，电池储能通过缓解可再生能源发电的波动，并在电网扰动期间支持关键的运行负载，为港口微电网的稳定性做出了显著贡献。
因此，人们越来越关注氢能储能和燃料电池技术，将其视为长距离航运应用的潜在解决方案[6,8,26] 与电池不同，氢气具有在长时间内储存可再生能源的能力，同时还能作为运输燃料使用。氢气储存系统通常通过电解与可再生能源发电相结合，使太阳能和风能资源产生的多余电力能够转化为氢气，以便后续储存和利用[7,8].
所综述的研究一致强调了氢能解决传统电池技术无法高效满足的长期储能需求的潜力。氢能储能还通过在综合能源系统中连接发电、工业流程、交通应用和海事运营，支持部门耦合。近期研究已证明，以可再生能源驱动的氢能枢纽、港口氢能基础设施以及氢燃料船舶运营，是实现海事运输深度脱碳的有效途径[6,19].
研究人员特别关注了将可再生能源发电、电解、氢能储能和燃料电池利用相结合的综合可再生能源-氢能系统。参考文献[9]表明，风光互补系统产生的剩余可再生电力可转化为绿氢，并随后用于支持氢能渡轮的运营，同时提高可再生能源的利用率并减少碳排放。此类研究说明，氢能储存作为未来海洋能源生态系统的战略组成部分，其作用日益凸显。
燃料电池技术是所综述文献中的另一大研究方向。燃料电池能将储存的氢气高效转化为电能，且无局部排放，使其成为传统船舶推进系统的极具吸引力的替代方案。质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其运行灵活、响应迅速以及与航海应用的兼容性，成为研究最频繁的技术。燃料电池系统在渡轮、客船、辅助动力系统和港口能源应用中的研究日益增多。然而，成本、耐久性、氢气供应基础设施以及技术成熟度仍是影响其大规模应用的关键因素。
混合储能系统已成为应对单一储能技术截然不同的运行特性的极具前景的方案。文献中识别出的最常见配置包括电池-燃料电池系统、电池-氢能系统以及可再生能源-电池-氢能微电网。在这些架构中，电池可以管理快速且短期的功率波动，而基于氢能的组件则提供更长时间的能量存储和备用能力[7,26这种功能分离使得混合系统能够将电化学储能的响应特性与化学储能的更长持续时间能力相结合。然而，这种灵活性必须与集成多种储能、转换、控制和基础设施组件所带来的更高系统复杂性共同考虑。
尽管研究较少，但所综述的文献也考虑了其他储能技术，包括热能储存、压缩空气储能、飞轮系统和先进的液流电池。与电池和氢能路径相比，这些技术在所综述的航运应用中证据基础较为有限。然而，在特定应用需求偏好热储存、高功率响应、固定式长时储存或扩展循环能力的情况下，它们仍可提供补充功能。
总体而言，现有证据并未确定一种普遍优越的储能技术。相反，技术的适用性取决于响应时间、储能时长、效率、基础设施、成熟度和运行功能所需的组合。这支持了一种基于组合的方法，即短时电化学储能、长时化学储能和混合架构在可再生能源集成的海事和港口能源系统中发挥互补作用。
表7总结了所综述文献中确定的主要储能技术及其应用。
表7。海事与交通系统中储能技术的工程特性对比。
3.5. 港口能源应用
港口正日益被视为全球能源转型中的关键节点，它们不仅是物流门户，更是新兴的能源枢纽，集成了可再生能源发电、储能系统、替代燃料和先进的能源管理技术。所综述的文献表明，港口运营正日益从传统模式向综合能源生态系统转变，以支持脱碳、运营韧性和能源安全目标。
可再生能源驱动的港口微电网是所综述文献中储能技术的重要应用。通过整合分布式可再生能源发电、储能和协调能源管理，这些系统能够提高能源可靠性，并减少对传统电网电力的依赖[20,21,28,29]。在此应用中，储能主要提供供需平衡、可再生能源发电平滑、电网支持和运行韧性。因此，港口微电网并非代表一种独立的能源技术路径，而是提供了一种系统架构，通过该架构可以部署第3.4节中识别的互补储能功能。
岸电系统是另一项重要的港口应用，使靠泊船舶能够使用陆地电力而非辅助发动机。当电力通过支持储能的再生能源系统供应时，其环境效益可进一步提升 [5,20]。在此背景下，储能提供了峰值需求管理和运行灵活性，将岸电电气化与更广泛的再生能源集成港口能源系统联系起来。
港口也被视为氢气生产、储存、分配和加注的战略位置[8,18,19]。在港口系统层面，氢气的意义超出了第3.3节中讨论的单一储存特性：氢能基础设施可将可再生能源发电与船舶推进、港口装备、工业需求及区域能源系统相连接。这种枢纽功能体现了港口作为可再生电力、化学能储存、海运及相邻能源消耗部门之间接口的潜在作用。氢能技术在智慧城市能源战略中也日益受到关注。近期多项研究将氢能定义为一种战略性能源载体，能够通过部门耦合方法将电力、交通、供暖和工业部门联系起来。除了支持零排放出行外，氢能还能提供长时储能，并通过实现可再生能源发电与能源需求在时间上的解耦来增强系统灵活性。
智能港口能源管理系统提供了进一步的应用层，该系统利用数字技术、优化算法和实时监控来协调可再生能源发电、储能资产、岸电系统和运行负荷[29]。这一协调层至关重要，因为储能的价值不仅取决于储能技术本身，还取决于储能如何与可再生能源发电及多变的港口需求进行调度与整合。研究发现，先进的能源管理策略能够提高能源效率、降低运营成本，并增强日益复杂的港口能源系统的可靠性。
文献中反复出现的主题是港口作为多能枢纽的概念。港口不再仅仅作为运输和物流设施，而是越来越多地被构想为连接再生能源发电、储能技术、替代燃料、工业活动和区域能源网络的战略接口 [2]。这一视角反映了向综合能源生态系统的更广泛转型，其中港口促进了多种能源载体的交换、储存、转换和分配。
最近的研究通过开发海上能源枢纽和模块化能源岛（MEIs）扩展了这一概念。这些系统将海上可再生能源发电、氢气生产、储能基础设施和海上燃料加注服务整合在一体化平台中，能够支持可持续航运和区域能源转型[10]。此类基础设施可实现离岸氢能生产与储存，同时减少对传统燃料供应链的依赖，并增强能源韧性。尽管仍处于发展初期，这些概念已展示出港口和海事基础设施在未来可再生能源集成能源系统中日益扩大的作用。
能源韧性成为另一个重要的研究主题。多项研究强调了综合储能技术在提高港口应对极端天气事件、电网故障、供应链中断或能源需求波动所致干扰的能力方面的作用。电池储能系统、氢气储能设施和混合架构被频繁视为在紧急情况下维持运营连续性和增强整体能源安全的关键组成部分[25,26].
总体而言，所综述的文献表明，港口正在演变为多功能能源枢纽，可再生能源发电、储能技术、替代燃料和数字能源管理系统在此汇聚。在这些环境中，储能技术的整合支持了脱碳目标，提高了运营韧性，促进了可再生能源的部署，并强化了港口在新兴低碳交通生态系统中的作用。
表8总结了所综述文献中确定的主要港口能源应用。
表8。港口与海事基础设施中的储能应用。
跨部门视角：智慧城市与物流应用
除了系统审查的海事与交通证据外，本研究考虑的背景文献还突出了储能在智慧城市基础设施和物流网络中的相关应用。这些相邻领域面临着与可再生能源波动性、日益增长的电气化、不断增长的能源需求以及对韧性低碳运营模式的需求相关的类似挑战。因此，以下跨领域视角被用于识别与系统性研究结果的交集，而非代表对智慧城市和物流文献的独立系统性综述。
在智慧城市环境中，储能系统支持分布式可再生能源、智能电网、电动交通基础设施和需求响应计划的整合。电池储能系统常被部署用于平衡太阳能和风能发电的波动，降低峰值需求，增强电网稳定性，并提高城市能源系统的运行灵活性。近期研究强调，智慧城市能源转型日益依赖于智能电网、储能技术、可再生能源以及能够实时优化能源生产与消费的数字能源管理平台的协同部署[36,37].
电动交通的快速扩展进一步提升了城市环境中储能的重要性。相关文献表明，电池和混合储能系统能够支持电动汽车充电基础设施，缓解充电相关的峰值负荷，并提高本地发电的可再生电力利用率。这些应用有助于减少城市交通排放，同时增强城市规模能源系统的韧性。近期研究进一步强调了将储能技术与智能充电系统及先进能源管理框架相结合的重要性，以支持可持续交通转型[37,38].
在多能系统中整合氢能的生产、储存、运输和利用，正日益被视为未来城市和区域能源基础设施的关键组成部分[39].
相关文献进一步表明，物流网络正成为可再生能源集成储能系统的重要应用领域。仓库、货运码头、多式联运枢纽和配送中心正经历渐进式的电气化和数字化，为可再生能源部署和储能集成创造了新机遇。储能系统能够支持运营连续性、提高能源效率、降低电力成本，并促进物流基础设施内可再生能源的使用。近期研究表明，以可再生能源驱动的物流系统在降低供应链排放的同时，还能提高运营的灵活性和韧性[40].
人们特别关注连接港口、工业区、城市中心和交通网络的综合物流走廊的建设。在这些环境中，储能技术支持可再生能源发电、电动交通、氢能供应链和货运业务的协调运作。近期研究强调，氢能物流、储能基础设施、交通网络和能源系统规划必须越来越多地被视为综合能源生态系统的互联组成部分，而非孤立的基础设施项目[39,40].
文献中一个反复出现的主题是港口、城市和物流网络在更广泛的多能源系统中的融合。这些系统不再作为孤立的基础设施运行，而是越来越多地通过共享能源资源、交通流、数字平台和脱碳目标连接在一起。储能技术在促进能源交换、可再生能源整合、负荷平衡以及跨多个部门的运营韧性方面发挥着关键作用，从而使这些互动成为可能。这一发现与[提出的智能能源系统观点一致41]，强调跨部门整合是实现高水平可再生能源渗透率和长期可持续性的前提条件。
综上所述，系统性的研究结果和跨部门的背景证据支持一个概念框架，即可再生能源发电、储能、港口和海事基础设施、物流网络以及城市能源系统是相互关联的组成部分，而非孤立的部门（图2）。可再生能源资源构成发电层，而储能技术提供时间平衡、灵活性、备用能力和能源载体功能。港口通过将可再生能源发电与储能连接至船舶、岸电、港口装备、氢能基础设施和陆路运输，形成关键的集成接口。物流网络通过货运走廊和供应链延伸这些能源与交通流，而智慧城市和城市能源系统则提供额外的电力、移动性和基础设施接口。在这些层级中，数字化能源管理与控制系统协调能源的发电、储能、转换和需求。因此，由此形成的框架将储能定位为跨部门的赋能层，在综合低碳能源生态系统中将可再生能源发电与海事、物流和城市能源应用连接起来。
图2。可再生能源、储能、港口与海事基础设施、物流网络以及智慧城市能源系统整合的概念框架。该框架综合了所综述文献中识别的跨部门关系，并阐明了储能与数字能源管理在连接发电、运输、物流和城市能源功能中的作用。
这项综合研究的贡献在于将三个通常被分开讨论的分析层面联系起来：储能技术特性、海事与港口系统中的应用级集成，以及与物流和城市能源基础设施的跨部门互动。由此构建的框架为储能技术如何支持可再生能源集成的海事与交通能源生态系统提供了系统层面的解读。
3.6. 关键障碍与未来研究方向
尽管所综述的文献报告了显著的进展，但仍有若干障碍制约着储能技术在可再生能源集成海事与交通系统中的大规模应用。一个一致的发现是，这些挑战日益呈现系统性而非纯技术性，涉及基础设施就绪度、监管框架、投资需求，以及在复杂运行环境中多种能源载体的整合。
经济和基础设施障碍是最常被提及的挑战之一。能源存储设施、氢气生产设施、加注基础设施、充电网络以及相关的电网升级仍需大量投资[7,21,24因此，经济挑战不仅限于储能技术本身的获取成本，还涉及部署所需的配套转换、分配、充电和电网基础设施。在比较不同的储能路径时，这些要求尤为重要：基于电池的系统需要充电和电力基础设施投资，而基于氢能的路径则额外依赖于生产、储存、分配和加注基础设施。结合所审查证据中指出的回报不确定性和市场不确定性，这些系统级投资要求可能会限制其采用，特别是对于较小的港口和区域运输运营商而言。
因此，所审查的证据并不支持一个可适用于所有海事和港口应用场景的单一成本排名。经济表现取决于所需的储能服务、项目规模、配套基础设施、运行模式以及该技术所部署的更广泛能源系统。基于此，本比较评估侧重于文献中确定的主要成本驱动因素和投资需求，而非直接呈现基于不同方法论和系统假设得出的、不具直接可比性的LCOS或CAPEX值。
监管、安全和运营障碍依然显著。氢能、氨能及其他替代燃料的部署需要相应的安全标准、许可程序和运营规程，而碎片化的监管框架和有限的国际标准化可能会阻碍部署并增加投资不确定性[12,33]。与此同时，整合可再生能源发电、储能技术、替代燃料和运输运营需要日益复杂的能源管理和控制系统[30,31]. 这些障碍进一步证实了技术部署不仅取决于储能性能，还取决于基础设施、法规、安全、互操作性和系统集成。
上述障碍进一步印证了概念框架中提出的系统级解读：部署挑战不仅源于单一技术的性能，还源于互联能源与交通系统中基础设施、监管、投资、安全和运行要求的协调[39,40].
该综述确定了一条以从单一储能技术向综合多能系统转型为核心的研究路线图。重点领域包括：(i) 根据短时和长时需求，结合电池、氢能储存和燃料电池的混合储能架构；(ii) 连接可再生能源发电、储能、岸电和氢能基础设施的港口-能源综合系统；(iii) 海上能源枢纽、能源岛和港口-城市能源生态系统；(iv) 用于协调日益复杂的多元能源资产的智能能源管理方法；(v) 储能部署的生命周期和循环经济评估；以及(vi)以韧性为导向的策略，探讨储能技术如何在气候、地缘政治和供应链中断的情况下增强能源安全和适应能力[25,26]. 这些优先事项总结在表10中，共同将研究重点从孤立的技术优化转向协调的系统级部署。
总体而言，研究结果表明，未来可再生能源集成海运与交通系统的发展，将不再主要依赖于单一储能技术的改进，而更多取决于储能技术能否成功整合到互联且具韧性的多性向能源生态系统中。
表9和表10总结所综述研究中确定的主要障碍和未来研究重点。
表9。储能部署的比较障碍类别。
表10。海事与交通综合能源存储系统研究路线图。
4. 讨论
综合分析表明，可再生能源集成海运与交通系统的核心问题不在于哪种储能技术具有普遍优势，而在于哪种储能组合能最好地匹配特定的运行环境。所综述的技术在储能时长、效率、响应特性、基础设施需求、成熟度及成本驱动因素方面表现出明显的权衡取舍。因此，技术选择应从系统层面进行解读，充分考虑所需的能源服务以及储能部署所依托的基础设施。
这一解读也揭示了评估重点正从特定技术转向综合能源系统设计。近期研究日益倾向于将可再生能源发电、储能、替代燃料、交通基础设施和数字能源管理整合在协调的配置中[30,31]. 这一转变的意义在于，储能性能本身并不能决定部署的适用性；基础设施可用性、控制要求、运行特性、投资条件以及跨部门接口在决定储能路径是否具有实际应用价值方面同样重要。
电池与氢能的对比说明了这种取决于应用场景的权衡。对于短周期和频繁循环的应用，电池提供了更直接、更高效的电能储存路径；而氢能则延长了储存时长，并提供了燃料和部门耦合功能，但需要额外的转换阶段和配套基础设施。这些特性使得这两条路径互为补充，而非直接可替代[7,8]. 因此，电池-氢能混合配置通过将快速电力平衡和长时储能功能分配给不同组件，为不同的时间需求提供了系统级的响应。然而，其潜在优势必须与增加的系统复杂性、基础设施要求和投资需求进行权衡。
在应用层面，港口作为重要的集成接口脱颖而出，因为多种能源服务和基础设施在单一运行环境中汇聚。可再生能源发电、储能、岸电、氢气生产与加注、船舶需求以及智能能源管理可以在港口能源系统中实现整合 [18,19这种融合改变了储能的角色：储能不再仅仅作为间歇性可再生能源的缓冲，而是能够支持电网交互、海事负荷、替代燃料生产以及更广泛的交通与能源协调。因此，港口提供了一个实际的接口，通过该接口，原本独立的电力、燃料、海事和物流系统可以实现日益的整合。
更广泛的跨部门解读进一步表明，海事系统、物流网络与城市能源基础设施之间存在潜在的接口。港口和物流走廊可以通过共享的电力基础设施、运输流、可再生能源资源、氢气供应链和数字管理平台与城市能源系统进行交互 [39,40这些关系应被视为对系统性审查的海事和交通证据的背景延伸，而非对完整智慧城市文献进行独立系统性审查的结果。在此范围内，跨部门视角有助于识别部署在港口和交通系统中的储能如何与更广泛的区域能源和移动网络发生交互。
综合来看，证据支持三种主要解释。首先，储能技术占据互补的运行领域，而非形成单一的性能等级。其次，储能的有效性和经济性在很大程度上取决于应用场景和配套基础设施，这限制了仅基于孤立性能指标进行技术比较的价值。第三，部署正向综合多性向能源架构转型，在这一架构中，储能、可再生能源发电、替代燃料、数字控制和交通基础设施在系统层面实现协同。这些发现为本综述中构建的概念框架提供了支撑，并表明主要挑战日益转向集成问题：即如何将储能功能与运行需求相匹配，同时协调部署所需的各种技术、经济、基础设施、监管和跨部门条件。
5. 结论
可再生能源集成海事与交通系统中的储能部署正从孤立的技术应用转向协调的多性向能源架构。综述证据表明，没有哪种单一储能技术是普遍优选的：电池系统更适合高效、响应迅速的短时电力存储，而氢能路径则延长了存储时长，并提供燃料和部门耦合功能，但代价是增加了额外的转换阶段和基础设施需求。混合配置可以结合这些互补特性，但会增加系统复杂性和投资需求。因此，技术选择应基于所需的能源服务、运行环境、基础设施和系统级权衡，而非单一性能指标。
在这一转型过程中，港口被定位为重要的集成接口，连接着可再生能源发电、储能、岸电、替代燃料、海事需求、物流活动以及数字化能源管理。由此形成的轨迹是迈向互联的多性向能源生态系统，其中储能作为可再生电力、交通运输与能源基础设施之间的赋能纽带。因此，进展将不仅取决于单一储能技术的进步，还取决于基础设施的协同发展、经济可行性、监管与安全框架、智能能源管理以及互补储能路径的有效整合。
