制氢技术的生命周期评价研究进展

摘要：氢气既是理想高效的清洁能源，又是用途广泛的化工原料。以传统能源制氢为主导的制氢产业具有高能耗高污染的弊端，在资源环保问题日益突出的当下，全方位对比研究各类制氢技术的优劣特征，为制氢产业提供健康发展的技术路线显得尤为重要。本文主要以传统制氢技术（煤气化制氢、天然气制氢等）和新型制氢技术（热化学制氢、可再生能源发电制氢、生物质气化制氢等）为对象，对其生命周期评价方面的研究进展进行综述。论文首先介绍了生命周期评价的研究过程和思路，阐述了各类制氢技术的基本原理和应用现状，重点研究了各类制氢技术的能耗和温室气体释放数据，同时结合生命周期成本分析，归纳了各制氢技术的制氢成本。论文通过分析各类制氢技术的优劣性，总结得出新型制氢技术具有优秀的节能环保性，但制氢成本较高。其中，风电制氢技术的环保性最佳，而核能热化学制氢在未来具有大规模应用的潜力。根据当前制氢格局的发展状况和各类制氢技术的特点，论文最后作出了关于制氢技术发展的前景展望。

关键词：制氢；再生能源；生命周期评价；温室气体；能耗

     氢气作为理想的清洁能源，是未来能源发展格局中的关键组成部分。氢气也是一种重要的化工原料，在合成氨和石油炼制等行业都有大规模的应用。来自Persistence市场研究公司的一份报告显示，全球氢气需求总量将从2013年的2553亿立方米增至2020年的3248亿立方米，增幅达27.2%，可见氢气需求量增长迅速。

     氢气在自然界中不以分子形式存在，获取氢气需要通过一定的技术手段从含有氢元素的水或碳水化合物中转化得到。目前全球约96%的氢气制备来源于传统化石能源，其中天然气蒸汽重整制氢占48%、石脑油重整制氢占30%、煤气化制氢占18%。传统化石能源制氢技术存在高污染高能耗的缺陷，随着世界相关环保法规要求的日趋严格，基于可再生能源利用和核能利用的新型制氢技术越来越受到重视。新型制氢技术，包括基于水电解反应的可再生能源发电制氢、生物质气化制氢、核能热化学制氢等。无论是传统制氢技术还是新型制氢技术，氢气的生产过程必然伴随着一定的物耗和能耗，从而对环境产生影响。只有充分认识氢气制备过程中各环节的影响，才能客观评价各类制氢技术的环保效益。

     生命周期评价是研究产业环保效益的有效工具，在全球各领域获得了广泛应用。本文对国内外各类制氢技术的生命周期评价研究进行综述，围绕能耗和温室气体释放当量两个特征指标，评估对比各类制氢技术的总体特征，总结得出制氢产业未来的发展前景。

1生命周期评价理论

     生命周期评价是汇总和评估一个产品（或服务）体系在整个寿命周期内所有投入、投出及其对环境直接造成或潜在影响的方法。从生命周期评价的全局思路而言，它首先辨识和量化目标产品在其整个生命周期中的能耗、资源消耗量以及对环境的释放量，然后评价这些消耗和释放造成的影响大小，进而提出改善意见，得出相关结论。目前生命周期评价的方法还处在研究和发展阶段，国际标准化组织ISO将生命周期评价的过程分为互相联系、不断重复进行的4个步骤，即目的与范围确定、清单分析、影响评价和结果解释，这是目前进行生命周期评价活动采用的主流方法。生命周期评价对于指导实际生产过程具有重大意义。

     制氢技术的生命周期评价，主体思路是评估从氢气制备到氢气成品储运过程的生命周期影响，其研究开展过程是通过汇总所有涉及到制氢技术流程的清单数据，综合得出对应制氢技术的影响情况，并根据影响结果总结评价意见。

2制氢技术的生命周期评价

2.1煤气化制氢

     煤气化制氢是指煤与水蒸气在一定温度压力条件下发生反应而得到合成气，再通过对合成气中CO的转化处理，将合成气全部转化为氢气的技术。煤气化制氢技术在我国有良好的应用基础，目前主要存在污染严重等环保问题。煤气化制氢需在现有基础上进行升级改造，从设备、系统运行等方面全面提高技术水平，才能顺应可持续发展的战略需求。关于煤气化制氢技术的生命周期评价体系和相关工作较为成熟，这也为煤气化制氢技术的升级提供了理论指导。

     目前成熟的煤气化制氢工艺指将煤运输到气化炉内进行气化反应制氢的过程。煤气化制氢的生命周期，包含煤的获取、煤的运输、氢气制备与收集、氢气的运输4个流程。

     安大略理工大学工程与应用科学学院的CETINKAYA等组成的团队专门研究各类制氢技术的温室气体释放量，研究成果在业内具有一定的认可度。该团队采用生命周期评价理念，针对煤气化制氢技术，从煤的开采到氢气的加工制备进行了清单分析，得出制氢规模为284吨氢气/天的煤气化制氢系统温室气体释放当量为11299.18gCO₂/kgH₂，该系统不采用二氧化碳捕集单元；西安建筑科技大学的李奕阳以无烟煤为研究对象，通过生命周期评价方法探索了我国煤地面气化制氢技术的能耗情况。该研究将煤气化制氢过程的能耗分为总物耗对应能耗、生产氢气能耗（满负荷生产时的电力需求）和末端环节的能耗，结果表明无烟煤气化制氢系统的总折算能耗为321.9MJ/kgH₂。

     波兰克拉科夫AGH科技大学的BURMISTRZ等组成的研究团队致力于实际制氢项目的整体效益研究，该团队用生命周期评价思路对比了Shell和Texaco/GE公司两种煤气化制氢工艺的影响情况，综合评判煤气化制氢工艺的具体效益。两家公司均采用地面加压气流床气化制氢手段，不同点主要在于煤样的选择和预处理工艺。Texaco/GE的工艺采用水煤浆预处理技术，即先将煤样与水混合制成水煤浆后，再进入加压气流床进行气化反应；Shell的工艺采用煤粉预处理技术，向气化反应炉输送干煤粉燃料，之后再与蒸汽、空气发生气化反应。两个系统均加入了二氧化碳捕集单元，制氢效率均为85%，评价结果整理如表1所示。

     根据上述研究结果得出，煤气化制氢的能耗为190～325MJ/kgH₂，温室气体释放当量为5000～11300gCO₂/kgH₂。总体而言，煤气化制氢技术能耗高，对环境也不够友好。通过对比上述案例可发现，在煤气化制氢系统中，采用二氧化碳捕集设备可大大减少二氧化碳的直接排放，对系统的环保效益产生积极影响。但是，加入二氧化碳捕集装置无疑也会造成较大的能耗，降低了制氢系统的能源利用率；同时，二氧化碳捕集单元的建设成本较高，这对制氢系统的经济效益会带来不良影响，容易打击制氢企业的投入积极性。二氧化碳捕集技术的发展方向应该朝着低能耗低成本的方向进行，这样才能为煤气化制氢技术的环保效益带来实质性推动。

2.2天然气制氢

     天然气制氢技术较为成熟，产氢率高，是目前最常用的制氢技术。甲烷是天然气中的主要气体成分，天然气制氢技术的主体依托于各类甲烷转化制氢反应。甲烷转化制备氢气有两种思路原理：一种是先将甲烷与水蒸气在一定反应条件下反应生成合成气，再将合成气中的CO成分进行转化，从而制得高纯度氢气，即甲烷水蒸气重整技术；另一种是通过制造反应条件使甲烷直接分解成氢气和积炭，再通过分离提纯产物获得氢气，代表性技术为甲烷热解技术。目前天然气制氢技术的生命周期评价发展较为成熟，评价结果显示该技术的环保性能有待提升。

2.2.1以甲烷水蒸气重整技术为核心的天然气制氢技术

     传统的甲烷水蒸气重整制氢流程包括原料气预热、脱硫、蒸汽转化、中变、低变、CO₂脱除和甲烷化等环节。由于制氢流程对整个生命周期的影响评价起到关键性作用，因此研究者在作生命周期评价清单分析时，往往对原料气的来源作合理地数据采集，而重点核算制氢过程数据。

     美国国家可再生能源实验室（NREL）的SPATH和MANN长期从事甲烷水蒸气重整制氢系统的生命周期评价研究，其研究思路和相关数据受到了许多研究团队的借鉴和引用，研究成果具有一定的权威代表性。该研究建立了从天然气开采运输到制氢工厂生产氢气的生命周期过程，追溯了各类环节物耗和能耗的详细清单来源，构筑了完整的系统边界，评价结果表明，制氢厂运行环节的能耗和温室气体释放量分别占系统生命周期总量的87.1%和74.8%，是整个系统的主要影响环节。CETINKAYA等在SPATH和MANN的研究基础上采用较新的清单数据对评价结果进行更新，得出甲烷水蒸气重整制氢技术的生命周期温室气体释放量为11893gCO₂/kgH₂，能耗为165.66MJ/kgH₂。SULEMAN等采用生命周期评价方法研究甲烷水蒸气重整技术的整体环境效益，分析结果表明该技术的温室气体释放量为11957gCO₂/kgH₂。AMRAN等将甲烷水蒸气重整技术的生命周期系统边界划分为天然气开采、天然气运输、氢气制造等流程，通过计算得出该系统的温室气体释放当量为11250gCO₂/kgH₂，其中制氢过程的温室气体释放为5180gCO₂/kgH₂，为所有流程中温室气体释放占比最高的环节；BHANDARI等通过文献数据收集的方法，总结得出甲烷水蒸气重整制氢工艺的温室气体释放当量为8900～12900gCO₂/kgH₂。

2.2.2以甲烷热解为核心的天然气制氢技术

     甲烷热解制氢是指甲烷在高温环境中受热裂解成碳和氢气的技术，该反应的进行需要加入相关催化剂，目前应用较为广泛的催化剂有熔融金属和熔融碳两种类型。熔融金属催化剂的催化效果较好，提高反应效率明显，不足之处在于容易失活，需要不断补充更新，生产成本高；熔融碳可以从热裂解产物中直接分离获得，从而实现催化剂自动更新，系统运行效率好，不足之处在于催化效果有待提升。德国亚琛工业大学热力学研究团队的POSTELS和西班牙卡洛斯三世大学化学与环境学院的DUFOUR分别采用上述两种类型催化剂对甲烷热解制氢的生命周期影响情况进行研究，结果如下所示。

     POSTELS等用生命周期评价方法探究了以熔融金属作为催化反应床的甲烷热解制氢系统。系统的核心主反应器采用IASS和KIT两家机构的设计方案，金属催化床的成分为76.2%的锡和23.8%的石英。该案例分别设置了不同温度条件下的实验工况和工厂实际运行工况，并与理论工况进行对比，综合得出从原料气获取到制氢结束的生命周期影响评价。案例不考虑积炭的处理过程，结果表明，热解制氢系统生命周期的能耗为298.34～358.01MJ/kgH₂，温室气体释放当量为3900～9500gCO₂/kgH₂。影响温室气体释放的主要环节是金属催化剂的维护与更新过程，该环节是制氢运行过程的重要环节。DUFOUR等建立了熔融碳催化剂自动更新（ADR）的甲烷热解制氢系统，设定了转化率分别为70%和96%的运行工况，前者接近实际运行情况，后者为理论上甲烷热解制氢可达到的最大转化率。该案例利用Simapro7.1作为生命周期分析软件，系统边界包括相关电力系统建设、设备投入、反应过程维护等环节，未考虑原料气获取、尾气处理等过程的相关能耗物耗清单。结果显示，系统的温室气体释放主要来自甲烷转化为氢气的反应运行过程，该部分是提升系统环保效益的关键要素。

2.2.3小结

     通过两种制氢方法的横向比较可得出，甲烷水蒸气转化制氢的能耗相对较低，而甲烷热解制氢的温室气体释放量相对较少，两种技术各有优劣。天然气制氢运行生命周期的能耗为165～360MJ/kgH₂，温室气体释放当量为3900～12900gCO2/kgH₂。制氢反应运行过程是造成系统能耗和温室气体释放的主要因素，因此提高系统的整体环保效应需从改善反应条件，减少反应过程能耗损失等方面着手。

2.3基于热化学循环的核能热利用制氢

     由于水直接热解离所需的温度超过4000℃，并且在高温条件下同时生产氧气和氢气容易发生爆炸事故，因而将水直接加热解离制氢的方案很难实施。为了规避上述问题，人们提出了采用热化学循环方法制氢的方法，即通过若干个化学反应，将水的分解分成几个中间反应进行，这样不仅降低了反应温度，而且可以避免氢气和氧气同时产生。比较典型的热化学循环制氢方法有硫-碘循环制氢和铜-氯循环制氢等。

     采用热化学循环法制氢需要大量的热能，目前关于此领域的生命周期评价研究多将热化学循环系统与核能供热系统进行耦合，以提高制氢系统的整体效益。利用核反应为热化学循环提供热量，是一种先进环保的制氢技术，具有良好的应用前景。核能/热化学循环联合系统较为复杂，实际应用案例较少，因此研究者们针对此技术进行生命周期评价时，一般是根据已有的数据结合理论算法进行合理评估，得出相关影响评价结果。下面就硫-碘循环和铜-氯循环制氢的研究结果开展论述。

2.3.1基于硫-碘循环的核能热利用制氢

     硫-碘循环制氢的思路是通过引入含硫和含碘的化学物质，将水分解主反应分成三个步骤进行，分别为Bunsen反应、H₂SO₄分解反应和HI分解反应。硫-碘循环反应所需的热量来源于核反应堆，因此针对核能供热的硫-碘循环制氢系统的生命周期系统边界划分，应当包含核反应系统建设、硫-碘循环系统建设、核反应和热化学反应耦合运行等流程。

     安大略理工大学工程与应用科学学院的OZBILEN等组成的研究团队专门研究核能热化学循环系统的生命周期环境效益，其研究成果受到了多方机构引用，参考价值较高。团队的研究表明，基于硫-碘循环的核能热利用制氢技术的温室气体释放当量为860gCO₂/kgH₂，能耗为373MJ/kgH₂（电能消耗以30%的效率折算为一次能源）；挪威科技大学SOLLI等组成的研究团队长期从事生命周期评价项目的研究，该团队采用Leontief矩阵模型对核能供热的硫-碘循环制氢系统进行生命周期评价分析，从铀的开采到氢气的产生过程都建立了相关清单数据。结果显示，核能供热的硫-碘循环制氢系统的生命周期温室气体释放当量为412gCO₂/kgH₂，核能系统的建设运行过程是造成温室气体释放的主导因素。墨西哥国立自治大学的GIRALDI等研究了不同热源的硫-碘循环制氢系统生命周期温室气体释放情况，研究结果表明采用核反应为硫-碘循环温室气体释放最少，为300gCO₂/kgH₂，其中核反应系统的建设运行过程温室气体释放占总量的66.6%，是温室气释放占比最大的环节。

2.3.2基于铜-氯循环的核能热利用制氢

     铜-氯循环依据中间反应的设计发生方式，分为三步法、四步法、五步法3种反应方式，反应原理可参考相关文献。同样的，针对核能供热的铜-氯循环制氢系统的生命周期系统边界划分，应当包含核反应系统建设、铜-氯循环系统建设、核反应和热化学反应耦合运行等流程。

     安大略理工大学工程与应用科学学院的OZBILEN等采用Gabi4生命周期分析软件建立了铜-氯循环与核能供热耦合制氢系统，系统运行年限设定为60年，日产氢大小设定为12500kgH₂。该系统的生命周期评价结果整理如表2所示，能耗中的电耗部分按30%发电效率转化为一次能耗。

     核能是一种高效能源，将核能供热与热化学循环制氢进行耦合，在制氢领域具有很大的发展潜力。基于热化学循环的核能热利用制氢技术在其生命周期内的温室气体释放当量为300～860gCO₂/kgH₂，能耗为360～410MJ/kgH₂。核能系统的建设和运行过程对整个系统的环保效益起决定性作用。

     核反应系统的建设需要投入大量的能耗，这是造成目前该制氢技术高能耗的主要原因。因此，核能热化学制氢技术的发展关键在于对核能系统建设的完善和改进，只有降低核能系统建设运行过程的能耗和污染物释放，核能热化学制氢技术才能进一步获得推广利用。

2.4基于水电解反应的可再生能源发电制氢

     电解水制氢是基于电化学原理的一种常见制氢技术。电解水制氢系统包括电源、电极、电解液三大部分。利用电网的电能进行电解水制氢不仅能耗高，也会间接造成较大的温室气体释放。可再生能源具有清洁环保的特点，将可再生能源发电系统产生的电能用于电解水制氢，可以优化传统电解水制氢的能源利用结构，使电解水制氢更加节能环保。

     可再生能源发电制氢是发展前景广阔的新型制氢技术，目前已经能达到实际推广应用的技术要求，而风电制氢和太阳能光伏发电制氢是该领域的研究热门，适应于多种应用场合。研究者们对风电制氢和光伏发电制氢的生命周期评价理论构筑较为完善，评价结果可为进一步推广该类型制氢技术提供指导意见。下文就此两种制氢技术的生命周期评价进行分析研究。

2.4.1风电制氢

     风电制氢是将风力发电与电解水制氢耦合的系统。风电制氢系统的生命周期评价，其系统边界应当包含风电站建设、电解水制氢、氢气的收集（压缩或液化）以及氢气运输至使用终端4个过程。风电制氢系统生命周期的系统边界划分如图1所示。

     美国国家可再生能源实验室（NREL）的SPATH和MANN关于风电制氢技术的生命周期评价研究较为全面，其相关数据受到了多家机构的引用，研究成果具有公认的权威性。团队设计了3×50kW规模风机的风电制氢系统，在该运行系统中，风力参照美国中西部地区的气候数据，电解水制氢效率设计为85%，最终生成的氢气以20MPa压力进行储存运输，运输损耗设计为7.03%。结果表明，该风电制氢系统在生命周期内的整体能耗为9.1MJ/kgH₂，温室气体释放当量为970gCO₂/kgH₂，其中风机的制造过程能耗占总能耗的72.6%，是系统占总能耗最大的环节；阿尔伯塔大学机械工程学院的GHANDEHARIUN等以加拿大西部的风电制氢系统作为生命周期评价对象，研究系统整体的温室气体释放情况。团队对风力发电、电解水制氢、氢气压缩、氢气运输4个流程进行了详细的清单分析，同时采用蒙特-卡洛模拟法对各不确定要素进行统计评估修正，最终通过加权计算得出项目整体的温室气体释放当量区间为630～730gCO₂/kgH₂。其中，风电站建设过程温室气体释放量占总释放量的65%，是系统温室气体释放的主要环节。通过细化风电站建设过程各要素影响，又可得出风机制造是该过程温室气体释放的主要环节；REITER等专门研究可再生能源发电制氢过程的生命周期影响效益。该团队通过GABI5软件对汇集的数据进行分析，得出风电制氢技术的生命周期能耗为12MJ/kgH₂，温室气体释放当量为600gCO₂/kgH₂。

     根据上述研究结果得出，风电制氢系统的生命周期能耗为9～12MJ/kgH₂，温室气体释放当量为600～970gCO₂/kgH₂。可以看出，风电制氢整体是一项环保节能的制氢技术。风电站建设尤其是风机设备的制造过程是造成能耗和温室气体释放的主要因素，这主要与建设风电站需耗费大量的金属原材料和运输材料需要大量的能耗有关。通过优化风机建设的投入可进一步提高风电制氢技术的整体效益。

2.4.2光伏发电制氢

     光伏发电制氢与风电制氢的区别在于电解水制氢的所需电能由光伏板转化的电能提供，其生命周期包含光伏电站建设维护、电解水制氢、氢气的收集（压缩或液化）以及氢气运输至使用终端的过程。

     安大略理工大学工程与应用科学学院的CETINKAYA等采用生命周期评价方法研究了光伏发电制氢系统的综合效益。该系统光伏电站建设于160m³的屋顶，装机容量为8kW，运行年限设计为30年。评价结果显示，光伏发电制氢系统生命周期的整体能耗为33.444MJ/kgH₂，温室气体释放当量为2412gCO₂/kgH₂。其中，光伏电站的建设过程是造成能耗和温室气体释放的主要因素，分别占系统生命周期整体能耗和温室气体释放总量的76%和63%。REITER等研究了光伏发电制氢的系统边界特征和清单数据，团队通过GABI5软件进行分析，得出光伏发电制氢技术的生命周期能耗为48MJ/kgH₂，温室气体释放当量为2400gCO₂/kgH₂。DUFOUR等总结分析了各类制氢系统的生命周期影响情况，得出光伏发电制氢技术的生命周期能耗为77.864MJ/kgH₂，温室气体释放量为6674gCO₂/kgH₂。

     根据上述研究结果得出，光伏发电制氢系统生命周期的能耗为30～80MJ/kgH₂，温室气体释放当量为2400～6800gCO₂/kgH₂，其中光伏电站的建造过程是造成能耗和温室气体释放的主要因素。改进光伏电站建设过程的相关工艺，可以使该制氢技术的环保效益得到明显提升。

     可再生能源发电制氢是一类节能环保的制氢技术，其中可再生能源发电站的建设过程是造成制氢系统能耗和温室气体释放的首要因素。因此，提高可再生能源发电制氢整体效益的关键在于对可再生能源发电技术的整体优化。虽然可再生能源发电站建设过程会造成较大的能耗和温室气体释放，但由于在运行过程中几乎没有排放，所以可再生能源发电制氢相比于传统能源制氢仍有着非常大的节能环保优势，随着运行年限的增长，这种优势更加明显。

2.5生物质气化制氢

     生物质气化制氢是通过制造气化反应条件，将生物质能转化为氢能的技术。生物质原料来源广泛，常见类型为农作物废-弃物和能源作物，如稻草、农作物秸秆、杨树皮等。植物在生长过程中会通过光合作用固定空气中的二氧化碳，因此推广生物质利用对于减少温室气体的排放具有积极效益。目前生物质气化制氢的局限性主要在于生物质原料的预处理工艺复杂，且初产物杂质较多，氢气提纯难度高。

     生物质气化制氢反应，可以分为以下3个过程：①在一定的温度压力条件下，生物质中的有机质经过气化重整过程生成合成气；②合成气中的CO经过水煤气变换反应（WGS），转化为H₂；③经过一系列提纯工艺，最终制得氢气产物。

     生物质气化制氢的生命周期，包含生物质的获取和运输、气化制氢、氢气的收集（压缩或液化）以及氢气运输至使用终端的过程。

     目前关于生物质气化制氢的生命周期评价尚存有争议，争议点主要集中于植物类生物质的种植生长过程清单核算。植物种植生长过程对应的影响，如投入能耗、光合作用吸收的二氧化碳等，是否纳入影响评价中，目前尚未形成统一定论。此问题争议的焦点在于植物种植过程中最终被用于制氢的生物质只占一部分，而与这部分恰好对应的种植清单难以界定。一种观点认为，生命周期评价应当纳入作物种植过程的所有详细清单，因为这一过程包含的人工机械劳动、化肥制造及土壤培育等清单数据产生的影响不可忽视，系统流程只有尽可能保持完整，得到的结果才具有说服力。对于专门培育用于制氢的生物质，如杨树等，在进行生命周期评价时比较适合采用上述理论；另一种观点认为，作物种植过程投入的能耗和物耗并非完全为转化成氢能而产生，纳入种植过程的全部清单会夸大影响评价结果，而具体与制氢部分对应的清单又难以界定，所以选择不考虑生长种植过程的影响。这种观点适用于自然生长的植物或者已经实现主要价值后的农作物副产品，如稻草、秸秆等。两种观点均有合理之处，采用不同划分依据时，影响评价需要作不同的说明。西班牙IMEDA能源研究所的SUSMOZAS和法国UR0050环境生物技术实验室的HAJJAJI分别采用上述两种观点对生物质气化制氢技术进行了相关研究。

     SUSMOZAS等以能源作物杨树作为制氢主体，从杨树的种植到获得产物氢气的过程进行了详细的生命周期清单数据分析。评价结果显示，该生物质气化制氢系统的生命周期能耗为19.52MJ/kgH₂，温室气体净释放量为405gCO₂/kgH₂。作物的种植和运输过程涉及到土地利用，化肥使用以及大量机械力的投入，是造成能耗的主要因素，此部分能耗超过整体能耗的90%。评价过程考虑了植物生长过程中对二氧化碳的吸收作用，由于植物生长过程能够吸收大量的CO₂，因此将此部分吸收的CO₂纳入温室气体释放核算中，可大大减少系统生命周期的温室气体释放量。

     HAJJAJI等采用生命周期评价方法研究生物质气化制氢技术，制氢原料为各类生物废弃物（餐厨垃圾、动物粪便、农作物秸秆等），该制氢系统通过对各类生物废弃物进行统一收集发酵制沼气，并对沼气进行一系列转化工艺，最终获得氢气。由于该系统的利用主体为生物质废弃物，且收集原料为沼气，因此在进行系统边界划分时，不包含作物种植过程的清单，不考虑植物生长过程吸收的CO₂。案例采用生命周期评价软件SimaPro8对收集的清单数据进行生命周期评价分析，得出生物废弃物气化制氢工艺的生命周期整体能耗为4.98MJ/kgH₂，温室气体释放当量为5590gCO₂/kgH₂。

     由上可知，界定系统边界划分的关键在于生物质原料的来源差异，针对不同类型生物质应当考虑不同划分方案。当考虑种植过程影响时，系统的总能耗有较大的升高，但该过程光合作用对CO₂的吸收又会使最终得出的温室气体释放量下降。为方便与各类制氢技术对比，本文对这两种清单划分方法的生命周期影响评价汇总，得出生物质气化制氢方法的生命周期能耗区间为4～20MJ/kgH₂，温室气体释放当量区间为400～5600gCO₂/kgH₂。可以看出，无论是否考虑种植过程的清单数据影响，生物质气化制氢整体是一项较为节能环保的制氢技术。

3制氢技术的生命周期成本分析

     在实际应用推广上，衡量制氢技术的优劣不仅要考量其节能减排效益，同时也要兼顾生产成本等经济性指标。ISO14040系列为生命周期评价标准方法进行了说明，其中没有涉及成本分析的相应内容定义。为了更全面地评估各类制氢技术的综合效益，有必要进行生命周期成本分析的调研。由SETAC提出的生命周期成本定义认可度较高，内容为“生命周期成本分析是计算与产品生命周期内有关的所有因素直接承担的所有成本费用的方法理论”。制氢技术的生命周期评价成本，应当包含制氢过程生命周期所有费用的总和，可分为原料成本（生产用到的原材料等）、资本成本（设备成本、基建成本等）以及运行维护成本（运行能耗成本、人员成本等）3部分。

     表3整理了研究领域认可度较高的关于不同制氢技术的生命周期成本评价数据，数据表征为生产1kg氢气所需耗费的物耗成本和经济成本。在进行经济成本核算分析时，根据货币的时间价值概念及一价定律，不同货币类型表示的制氢成本需折算成同一年限的同种货币，方可进行对照。根据文献数据所在年限及货币类型，本文通过查阅历年对应货币的通货膨胀率，将成本数据折算为2016年的等值价格，再依据2016年相关货币汇率，将全部货币类型统一为人民币表示。经济成本评价单位统一为“CNY/kgH₂”。

     根据表3数据，本文整理各类制氢技术的生命周期成本所在区间，结果为：煤气化制氢8.3～19.5CNY/kgH₂、天然气制氢10.427.6CNY/kgH₂、核能热化学制氢为12.8～36.9CNY/kgH₂、风电制氢22.3～59.8CNY/kgH₂、太阳能光伏发电制氢36.6～61.3CNY/kgH₂、生物质气化制氢9.7～22.2CNY/kgH₂。不同制氢技术生命周期成本差异较大，传统制氢技术的成本相对低廉，而除生物质气化制氢以外的其他新型制氢技术的成本普遍较高。需要说明的是，传统制氢技术中煤和天然气原料一部分用于供给能源，一部分作为制氢反应原料，而新型制氢技术的煤和天然气只用于供给能源。表中的物耗情况可为经济成本的大小提供相应解释。以风电制氢为例，该技术物耗中大量的建筑设备耗材投入导致了其经济成本相对较高，而该部分物耗与风电站的建设投入相对应。也就是说，风电站初期建设过程的成本较高是造成风电制氢技术生命周期成本高的主要原因。生物质气化制氢的成本较低，这主要与生物质原料的低成本有关。关于制氢技术的经济效益评估在下一节中将作进一步讨论。

4制氢产业分析

4.1环境效益分析

     根据第2节内容总结各类制氢技术生命周期评价研究结果，将其温室气体释放当量和能耗数据进行对比，如图2和图3所示。整体而言，可再生能源利用的相关制氢技术节能环保性最佳，核能利用制氢次之，而传统能源制氢对环境的节能环保性最差。以各类制氢技术温室气体和能耗所在区间中间值作为参照，风电制氢（785gCO₂/kgH₂，10.5MJ/kgH₂）是目前最为环保的新型制氢技术。在可再生能源利用制氢中，光伏发电（4600gCO₂/kgH₂，55MJ/kgH₂）的节能环保优势较弱，这与目前光伏电池板高能耗高污染的制造工艺有着密切联系，光伏发电制氢环保性能的提升，其突破口是改进光伏电池板的相关制造工艺。生物质气化制氢（3000gCO₂/kgH₂，12MJ/kgH₂）的节能环保性表现优秀。对于核能/热化学制氢（580gCO₂/kgH₂，385MJ/kgH₂）而言，其温室气体释放较少，但能耗却是所有制氢技术中最高的，这主要与核反应站的建设运行能耗较高有关，随着未来核能利用技术的成熟，该系统的能耗有望下降。由于核能热利用制氢能量供应密度大，可满足大规模制氢的需求，因而该制氢技术在未来有大规模应用的前景。天然气制氢（8400gCO₂/kgH₂，262.5MJ/kgH₂）和煤气化制氢技术（8150gCO₂/kgH₂，257.5MJ/kgH₂）对环境的影响效益相当，两者的温室气体释放量约是风电制氢的10～11倍，能耗约为风电制氢的24～25倍，对环境造成的负面影响较大，从可持续发展的战略角度出发，此类传统制氢技术在未来所占的比重会不断下降。

4.2经济效益分析

     根据第3节的分析结论，将各类制氢技术的生命周期成本区间数据进行对比，如图4所示。

     以不同制氢技术所在成本区间的中间值作为参照，可得出，传统的煤气化制氢（13.9CNY/kgH₂）和天然气制氢（19.0CNY/kgH₂）的成本相对较低。在新型制氢技术中，风力发电制氢（41.1CNY/kgH₂）和光伏发电制氢（48.9CNY/kgH₂）是制氢成本较高的制氢技术。两者成本高昂主要与风机设备和光伏发电设备的高投入有关，在未来相应技术取得突破时，其成本有望下降至较低水平；核能/热化学制氢（24.8CNY/kgH₂）成本相对于风电制氢和光伏发电制氢有一定优势，但与传统制氢技术相比仍有一段距离，需要进一步改善成本结构；生物质气化制氢（15.9CNY/kgH₂）的成本与传统制氢技术相当，在新型制氢技术中最具有经济效益优势，但目前其原料处理困难、氢产物纯度不高等不足制约着其推广利用。

     新型制氢技术的成本较高是目前限制其实际推广应用的重要因素，此类制氢技术要取得实际应用，必须通过改进制氢系统，降低设备费用，优化成本结构等措施来降低经济投入，从而克服成本难题。

4.3产业特征归纳

     对各类制氢技术的特征进行归纳总结，如表4所示。

     由于成本优势和产氢能力优秀，传统制氢技术在未来相当长的时间内仍是主流的制氢技术。随着新型制氢技术的兴起、环保法规的日趋严格以及传统能源储量的下降，传统制氢技术在未来的制氢格局中所占比重会逐渐降低。对于新型制氢技术而言，虽然风电和光伏发电制氢受能量供应密度小，无法连续供应等局限性制约，在未来很难成为大规模产氢的主流技术，但是由于此类制氢技术有很大的节能减排潜力，因而在相关成本问题得到控制后，即可在小规模制氢产业发挥积极作用，未来有望成为传统制氢的有力补充。在风能和太阳能资源富裕的局部地区，风电/光伏发电制氢可在该制氢领域占有稳固的一席之地。生物质气化制氢技术具有原料获取来源广泛、不存在间歇性供应、节能环保性能优秀、成本低廉等优点，未来有望成为具有一定规模化应用的制氢技术。生物质气化制氢的局限性在于原料处理困难，且氢产物纯度不高，因而也很难发展为大规模制氢的主流技术。核能热化学制氢技术产氢潜力大，在完善核反应建设方案、控制能耗和建设成本、核能技术充分发展后，有望成为未来的主流制氢技术。核聚变能源化利用是目前人类能源供应方式的努力方向，在未来很可能为人类社会提供长期的能源支撑。制氢是高能耗产业，能源的利用格局深刻影响着制氢技术的发展状况，当人类对能源的利用从传统能源时代过渡到新能源以及核能时代时，相应的制氢格局也会发生同步的变化。本文设想的制氢技术发展路线如图5所示。

5结语

     生命周期评价是对某一系统流程的环保能耗效益进行评估，其深层意义在于通过评价分析的结果得出有利于指导实际生产的结论，这也是生命周期评价理念受到广泛应用的原因。本文通过对各类制氢技术生命周期评价及其生命周期成本的综述分析，评述了当前制氢格局的现状和未来发展前景，得出以下结论。

  （1）传统能源制氢技术的污染物释放主要来自于制氢反应过程，提高其环保性可从提高原料清洁性和加强尾气处理等措施着手。可再生能源利用及核能制氢的能耗和污染物主要来自于系统初建设过程，完善过程可从减少建设过程能耗，缩短建材运输距离等方面着手。从现有的研究评价结果上看，风电制氢是最为清洁、最为节能的新型制氢技术，应优先研究发展。

  （2）传统制氢技术的生命周期评价体系较为成熟，但新型制氢技术的评价体系还需要不断完善。由于新型制氢技术的数据来源完整性和精度有限，因而在细化生命周期评价的各个流程上，很多选择都无法统一，如生物质气化制氢关于种植过程的清单划分等。未来生命周期评价体系应当具备更为统一的标准。

  （3）制氢产业的发展需同时兼顾环保效益和经济效益，与能源利用技术的发展状况息息相关。目前传统能源制氢技术成熟，产氢量大，成本把控较好，在未来一段时间内仍是制备氢气的主要途径。新型制氢技术尚未取得产业化推广的原因不仅在于技术上需要完善，还在于其成本尚未能把控在符合生产效益的水准。当成本问题得以控制，技术取得突破后，新型制氢技术将随着可再生能源和核能的快速发展很快步入实际应用。

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