环境科学  2024, Vol. 45 Issue (10): 5641-5649   PDF    
典型氢能产品生命周期评价和碳足迹比较
黄小娱1, 谢明辉1, 李晓蔚1, 江乐勇2     
1. 中国环境科学研究院, 北京 100012;
2. 信开环境投资有限公司, 北京 101100
摘要: 为对比灰氢、蓝氢和绿氢产生的环境影响及碳足迹, 通过文献调研获取数据清单, 部分国内没有的数据清单通过国外清单结合本地化电力转换获取, 选用本地化终点破坏型生命周期影响评价方法, 计算5种氢能产品的原料获取、运输和制氢阶段的环境影响潜值, 计算碳足迹, 进行敏感性分析和不确定性分析, 并与ReCiPe方法对比. 结果表明:①环境影响方面, 各氢能产品环境影响潜值由大到小排序为:灰氢(煤)(1 203 mPt·kg-1) > 蓝氢(煤)(876 mPt·kg-1) > 灰氢(气)(492 mPt·kg-1) > 绿氢(323 mPt·kg-1) > 蓝氢(气)(252 mPt·kg-1);灰氢和蓝氢的环境影响主要集中在气候变化、细颗粒物形成和化石燃料方面, 绿氢的环境影响主要集中在气候变化、细颗粒物形成、化石燃料和矿产资源方面. ②碳足迹方面, 由大到小排序为:灰氢(煤)(23.79 kg·kg-1, 以CO2eq计, 下同) > 蓝氢(煤)(11.07 kg·kg-1) > 灰氢(气)(10.97 kg·kg-1) > 蓝氢(气)(3.47 kg·kg-1) > 绿氢(1.97 kg·kg-1). 灰氢、蓝氢生产过程中的直接碳排放均占比最大, 绿氢则为电力输入所占比重较大. ③降低环境影响和碳排放的措施包括减少污染物和温室气体直接排放、降低电耗、加强原料替代和减量.
关键词:      生命周期评价      环境影响      碳足迹      敏感性分析     
Comparative Life Cycle Assessment and Carbon Footprint of Typical Hydrogen Energy Products
HUANG Xiao-yu1 , XIE Ming-hui1 , LI Xiao-wei1 , JIANG Le-yong2     
1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;
2. Xinkai Environment Investment Co., Ltd., Beijing 101100, China
Abstract: To compare the environmental impact and carbon footprint of gray hydrogen, blue hydrogen, and green hydrogen, inventories were obtained through literature research. Some inventories that were not available in China were obtained through foreign inventories combined with localized power conversion. The localized end-point destructive life cycle impact assessment method was used to calculate the environmental impact potential of the raw material acquisition, transportation, and hydrogen production stages of five hydrogen products. The carbon footprint was calculated, and the sensitivity analysis and uncertainty analysis were carried out and compared with the ReCiPe method. The results showed that: ① The environmental impact from large to small was: gray hydrogen (coal) (1 203 mPt·kg-1) > blue hydrogen (coal) (876 mPt·kg-1) > gray hydrogen (gas) (492 mPt·kg-1) > green hydrogen (323 mPt·kg-1) > blue hydrogen (gas) (252 mPt·kg-1). The environmental impacts of gray hydrogen and blue hydrogen were mainly concentrated in climate change, fine particulate matter formation, and fossil fuels. The environmental impacts of green hydrogen were mainly concentrated in climate change, fine particulate matter formation, fossil fuels, and mineral resources. ② The carbon footprint from large to small was: gray hydrogen (coal) (23.79 kg·kg-1, measured by CO2eq, the same below) > blue hydrogen (coal) (11.07 kg·kg-1) > gray hydrogen (gas) (10.97 kg·kg-1) > blue hydrogen (gas) (3.47 kg·kg-1) > green hydrogen (1.97 kg·kg-1). Direct carbon emissions in the production process of gray hydrogen and blue hydrogen accounted for the largest proportion, whereas that of green hydrogen accounted for a large proportion of power input. ③ Measures to reduce environmental impact and carbon emissions include reducing direct emissions of pollutants and greenhouse gases, reducing power consumption, and strengthening raw material substitution and reduction.
Key words: hydrogen      life cycle assessment      environmental impact      carbon footprint      sensitivity analysis     

为应对能源短缺、气候变化和环境污染等问题, 开发利用清洁能源已成为全球各国的共识. 氢能具有能量密度高、制取和使用过程清洁、使用场景及获取方式多样等优点, 逐渐成为关注的重点[1]. 早在2006年, 国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》就指出要将可再生能源制氢、氢能储运等技术作为研究重点;国家“十四五”规划纲要中把氢能与储能列为前瞻谋划的六大未来产业之一[2]. 由此可见, 氢能越来越受到关注, 特别是在当前碳达峰、碳中和目标下, 发展氢能意义重大.

我国氢能市场巨大, 据估算[3], 到2060年, 我国氢能需求量将由目前的3 000多万t升至约1.3亿t, 提升3倍以上, 氢能将在交通运输、建筑和储能等方面进行广泛使用. 目前制氢方式分为灰氢、蓝氢和绿氢这3种技术路径, 灰氢是指以化石能源和工业副产为原料制成的氢气, 制备过程中往往会产生大量二氧化碳;蓝氢指在灰氢的基础上增加碳捕获和封存(carbon capture and storage, CCS)技术来减少二氧化碳排放制氢;绿氢指通过可再生能源(如光伏和风电)电解制氢.

国外对于各种制氢方式的环境影响研究较早, 如早在2002年, Marquevich等[4]对碳氢化合物原料(甲烷、石脑油)和植物油(菜籽油、大豆油、棕榈油)的重整制氢进行了生命周期清单分析, 结果表明, 天然气和石脑油在100年时间框架内与蒸汽重整制氢相关的全球变暖潜能值(global warming potential, GWP, 以CO2eq计)分别为9.71 kg·kg-1和9.46 kg·kg-1. Spath等[5]、Suleman等[6]和Amran等[7]对天然气制氢的整体环境影响和温室气体释放量等进行了研究. Cetinkaya等[8]、Ruether等[9]和Rajput等[10]分析了煤气化制氢技术的环境影响. 随着新能源技术的不断进步, 2011年, Lombardi等[11]对采用光伏发电电解制氢技术进行了环境影响评估, 发现绿氢可以大幅降低环境影响和碳排放;此外, 也有学者对使用其他可再生能源(如风力发电[12 ~ 13]、核电[14]、生物质能[15])制氢的环境影响进行了比较和研究. 国内对制氢技术生命周期评价的研究晚于国外. 在评价对象方面, 李奕阳[16]对煤气化制氢、电解制氢、天然气重整制氢以及生物质气化制氢4种制氢技术进行了比较研究;孔德洋等[17]针对风力发电、光伏发电以及我国目前电力结构下发电电解水制氢技术的环境影响进行了分析;Liu等[18]比较了两种煤制氢技术的生命周期能耗和温室气体排放;赵佳康[19]比较了碱性电解水和质子交换膜电解水两种电解水制氢方式的环境影响. 另外国内有关氢能生命周期评价的研究多与氢燃料汽车有关[20 ~ 26], 这主要是由于氢能的终端使用之一便是氢燃料汽车, 而新能源汽车已成未来汽车的发展方向. 目前国内制氢技术的环境影响评估及生命周期评价的相关研究还不多, 且完全采用本地化数据清单和评价模型的研究较少. 因此, 本文采用生命周期评价方法, 通过本地化的数据收集和模型解析, 对灰氢、蓝氢和绿氢的环境影响及碳足迹进行量化比较, 并识别出影响较大的因素, 以期为科学规范地制定氢能发展的环境管理政策提供支撑.

1 材料与方法 1.1 系统边界和功能单位

本文选用1 kg的气态氢能产品为功能单位, 对灰氢(煤)、灰氢(气)、蓝氢(煤)、蓝氢(气)和绿氢这5种氢能产品进行生命周期评价.

灰氢(煤)是指以煤炭为原料, 采用煤气化技术制氢. 即在高温下将碳转化为一氧化碳和氢气为主的合成气, 再经过净化、一氧化碳转化、提纯等环节, 获得一定纯度的氢能产品. 根据生产过程, 灰氢(煤)的系统边界涵盖3个过程:煤炭获取、煤炭运输和煤气化. 灰氢(煤)的主要优势在于其生产成本较低且技术相对成熟, 但其局限性在于其产生大量二氧化碳排放, 对环境影响较大. 蓝氢(煤)是在灰氢(煤)的基础上增加CCS工艺, 这使得其在碳减排方面的表现略有改善. 然而, 仍需考虑CCS工艺的成本和实施技术成熟度等问题. 蓝氢(煤)的系统边界涵盖4个过程:煤炭获取、煤炭运输、煤气化和CCS.

灰氢(气)是指以天然气为原料, 采用天然气水蒸汽重整技术制氢. 即将预处理后的天然气与水蒸汽高温重整制合成气, 在中温下进一步变换成氢气与二氧化碳, 再经冷凝、变压吸附最终得到氢气. 系统边界根据生产工艺涵盖3个过程:天然气获取、天然气运输、天然气水蒸汽重整. 灰氢(气)的主要优势在于现有的天然气基础设施能够支持其生产, 并且生产过程较为成熟, 成本相对较低, 但生产过程中仍会产生二氧化碳排放. 蓝氢(气)是在灰氢(气)的基础上增加CCS工艺, 这使得其在碳减排方面的表现相对改善, 但实施CCS工艺需要投入大量资金和技术支持. 蓝氢(气)系统边界涵盖4个过程:天然气获取、天然气运输、天然气水蒸汽重整和CCS.

绿氢是指以水为原料, 采用可再生能源(本文选取光伏发电)电解制氢. 绿氢生产过程中零碳排放, 可达到零排放的环保效果, 另外, 利用光伏发电等可再生能源进行电解水制氢, 不依赖于有限的化石燃料, 有助于能源结构的转型和可持续发展, 但其局限性可能在于生产过程的能源需求和成本较高, 使用光伏发电等可再生能源成本较高, 同时电解装置等设备也相对昂贵, 导致其生产成本较高. 本文选取当前已商业化运行的碱性电解水制氢技术, 即以碱性溶液为电解质, 石棉布等材料为隔膜, 铂和镍等为电极, 采用光伏发电, 将水电解成氢气和氧气. 根据生产流程, 系统边界包括3个部分:光伏发电、电解装置和其他构件.

5种氢能产品的系统边界均不包括氢气的运输及下游应用阶段, 系统边界示意如图 1所示.

图 1 各氢能产品系统边界示意 Fig. 1 Schematic of the system boundary for each hydrogen product

1.2 清单分析

生产1 kg氢能产品所消耗的资源、能源为前景数据, 主要通过文献调研、物料衡算和经验假设获取. 资源和能源的单位消耗量生命周期数据清单为背景数据, 获取方式先以国内数据查找为主, 部分国内没有的数据清单通过Ecoinvent数据库获取, 并进行本地化电力转换. 不同国家或地区的电力生产方式、能源来源和技术水平不同, 因此将背景数据中的电力数据转换成国内电力清单, 更能反映我国实际情况, 更加准确和可靠. 具体转换方式为在Ecoinvent数据库中新建我国电力清单, 将某类资源和能源的背景数据中的电力清单替换成新建的我国电力清单, 如将Ecoinvent数据库中石灰石背景数据的电耗换成我国的电力清单, 则完成了石灰石背景数据的本地化转换. 5种氢能产品的清单数据及背景数据来源如表 1所示.

表 1 氢能产品的清单数据及背景数据来源 Table 1 Inventory data and background data sources for each hydrogen product

灰氢(煤)和蓝氢(煤)的前景数据主要来自Li等[27]的研究, 煤炭获取阶段的背景数据为国内数据, 煤炭运输阶段的环境影响主要由运输工具的燃料使用产生, 由于缺乏详细的运输方式、运输消耗等数据, 本文采用2017年中国煤炭运输的平均数据来代表煤制氢工厂上游供应链的煤炭运输水平. 假设煤炭铁路运输的能耗只由电力引起, 水路和公路所用燃油均为柴油, 煤炭的运输方式和能耗强度见表 2, 由此计算出制成1 kg氢能产品所需煤炭运输所需的电力及柴油消耗量. 灰氢(气)和蓝氢(气)的前景数据主要来自Cetinkaya等[8]和Al-Qahtani等[28]的研究, 天然气获取阶段的数据清单来自于丁宁等[29]建立的我国化石能源的生命周期清单模型. 天然气自身性质而存在的特性决定了其最合适通过管道进行运输[30], 天然气输送到城市门站或大型工业用户, 其间经历加热、计量和分流等过程, 而且输送距离越长, 需要消耗的燃料动力越多[31], 天然气运输阶段数据清单仅考虑消耗的能源, 不考虑运输阶段基础设施建设所需耗材, 数据清单来自于蒋慧[32]的研究. 绿氢的前景数据主要来自赵佳康[19]的研究, 本研究选用的可再生能源为光伏发电, 清单数据来自武琛昊等[33]的相关研究. 将前景数据与背景数据加乘, 再加上生产过程的污染物排放数据, 即可得到生产1 kg的5种氢能产品生命周期数据清单.

表 2 煤炭运输与能耗强度 Table 2 Coal transportation and energy intensity

1.3 影响评价模型

影响评价方法采用的是李雪迎等[46]构建的适用于我国的终点损害类生命周期影响评价模型. 此模型以我国为基准区域、以2017年为基准年, 对人体健康、生态环境和资源的人均基准值进行了核算, 筛选了11个环境影响类别, 对应3个终点损害类别, 分别是人体健康(致癌作用、细颗粒物形成、气候变化、水资源消耗、光化学臭氧形成)、生态系统(气候变化、水资源消耗、生态毒性、酸化、富营养化、光化学臭氧形成、土地利用)和资源(矿产资源、化石燃料). 与ReCiPe评价方法对比, 本地化终点损害类评价方法结合了国内外的文献和数据, 通过多种核算方法来确定适合我国的损害因子, 并考虑了不同污染物、资源和能源在特定环境影响类别下的排放量和产量, 以此为基础进行环境影响评估. 在此模型的基础上, 根据氢能产品的清单数据, 选择对应的环境影响类别及其子类型, 如表 3所示, 并在Simapro 9.0软件建模后得出相应的环境影响(以环境影响潜值计, 单位为mPt)及碳足迹(以CO2eq计). 原模型中人体健康、生态环境和资源的权重分别为60%、25%和15%, 人体健康权重值较高, 本研究稍作调整.

表 3 氢能产品环境影响评价模型及相关参数 Table 3 Hydrogen product environmental impact assessment model and related parameters

2 结果与讨论 2.1 环境影响

各氢能产品生命周期评价结果如图 2所示, 蓝氢(煤)、灰氢(煤)、蓝氢(气)和灰氢(气)的环境影响主要集中在气候变化、细颗粒物形成和化石燃料方面, 这是由于制氢原料为化石燃料(煤与天然气), 化石燃料产生的温室气体也较多, 另外生产过程中耗电较多, 而我国的电力结构又以火力发电为主所导致, 发电过程排放的颗粒物较多, 对呼吸系统影响较大. 绿氢则主要集中在气候变化、细颗粒物形成、化石燃料和矿产资源方面, 这是由于电解水制氢耗电大, 而光伏发电的重要组件, 晶硅制备过程耗电也较大, 其中电耗在光伏组件全生命周期环境影响的占比可达60%以上, 因此在气候变化、对呼吸系统影响和化石燃料方面的环境影响潜值较高, 电解过程使用镍、铂等金属, 因此在矿产资源方面影响也较大. 生命周期评价终点结果如图 3所示, 各氢能产品均在人体健康方面的环境影响潜值最高, 主要是由于排放的颗粒物对人体健康影响较大. 相较于其他氢能产品, 由于电解装置和其他构件对镍、铂、铜、铝等金属产品的使用, 绿氢在资源方面的环境影响潜值明显高于其他氢能产品.

图 2 各氢能产品分类别环境影响评价结果 Fig. 2 Environmental impact assessment results by hydrogen energy product category

图 3 各氢能产品环境影响评价结果 Fig. 3 Evaluation results of environmental impact of each hydrogen product

各氢能产品的环境影响潜值由大到小排序为:灰氢(煤)(1 203 mPt·kg-1) > 蓝氢(煤)(876 mPt·kg-1) > 灰氢(气)(492 mPt·kg-1) > 绿氢(323 mPt·kg-1) > 蓝氢(气)(252 mPt·kg-1). 蓝氢(煤)的环境影响潜值相较于灰氢(煤)降低27.18%, 蓝氢(气)相较于灰氢(气)降低48.78%, 均有不同程度的下降, 这其中CCS技术起到了较大的作用. 绿氢的环境影响潜值仅略高于蓝氢(气), 位居第4, 说明在整体的环境影响方面, 绿氢亦是较为环境友好的氢能产品.

各氢能产品各阶段的环境影响潜值占比如图 4所示. 灰氢(煤)气化制氢过程(81%)产生的环境影响潜值远高于煤炭获取过程(18%), 其中直接向环境排放的污染物占比较大;灰氢(气)重整制氢阶段(76%)产生的环境影响潜值最大, 直接排放的污染物贡献较大, 天然气获取阶段(15%)次之. 说明降低灰氢环境影响应重点关注污染物减排.

图 4 各氢能产品生产要素环境影响占比 Fig. 4 Percentage of environmental impact of production factors for each hydrogen product

蓝氢(煤)系统的环境影响主要由气化制氢和CCS过程(74%)产生, 电力与直接排放产生的环境影响较大. 蓝氢(气)的重整制氢和CCS过程(47%)产生的环境影响潜值最大, 主要由电力(66%)与直接排放(32%)贡献. 可见降低蓝氢的环境影响不仅应重点关注污染物减排, 还要关注降低电耗.

绿氢的环境影响主要由电力输入(53%)产生;电解部分(33%)次之, 其中主要来自镍的贡献(71%);构件部分(14%)最小. 因此降低绿氢的环境影响, 一方面可以降低电耗, 另一方面可以通过技术提升, 降低电解装置金属电极原料消耗和光伏发电过程的环境影响, 进而使绿氢的环境影响整体下降.

2.2 碳足迹

生产1 kg氢气产品的全生命周期碳排放如图 5所示, 由小到大依次是绿氢、蓝氢(气)、灰氢(气)、蓝氢(煤)和灰氢(煤), 分别为1.97、3.47、10.97、11.07和23.79 kg(以CO2eq计). 可以看出, 绿氢的碳足迹显著低于其他氢能产品.

图 5 5种氢能产品碳排放对比 Fig. 5 Comparison of carbon emissions of five hydrogen products

灰氢(煤)的碳排放最高, 主要来自气化制氢过程(87%), 这是因为煤气化合成气中的CO变换产生H2时会产生大量的CO2. 灰氢(气)重整制氢过程(87%)的碳排放也占比较大, 主要是由于重整时将碳氢化合物和醇转化为氢的过程中会产生CO2, 使用CCS技术的蓝氢在制氢过程产生的碳排放下降明显. 绿氢的电力输入过程(61%)产生的碳排放最大, 主要是由于提供电解水电力的光伏组件在制备过程中需消耗大量电力, 而我国电力结构以煤电为主, 故此过程的碳排放占比较高. 生产1 kg各氢能产品的碳排放来源如表 4所示, 灰氢和蓝氢的碳排放除生产过程外, 主要由电力输入产生. 绿氢的碳排放主要由电力产生.

表 4 各氢能产品碳排放来源(以CO2eq计)/ kg Table 4 Sources of carbon emissions for each hydrogen product(CO2eq)/ kg

2.3 敏感性分析

图 4可知, 氢能产品的环境影响除直接排放的污染物外主要集中在电耗上, 其他资源消耗的环境影响较小, 因此选择直接排放与电力作为敏感性分析的因子, 对氢能产品生产过程生命周期环境影响进行敏感性分析. 每次对各系统中对应输入的数值增大、减少10%, 计算其对应的氢能产品生产系统的环境影响潜值, 并与原结果进行比较, 如表 5所示. 灰氢和蓝氢(气)为直接排放对环境影响潜值的影响较大, 绿氢和蓝氢(煤)则为电力, 因此对氢能产品生产系统的环境管理而言, 灰氢应重点削减直接产生排放, 蓝氢和绿氢在此基础上, 还要重点关注原材料替代和减量.

表 5 环境影响潜值敏感性分析/% Table 5 Sensitivity analysis of environmental impact potential/%

同样选择直接碳排放与电力作为敏感因子, 对氢能产品生产过程碳足迹进行敏感性分析. 结果如表 6所示, 生产过程中的直接排放对灰氢、蓝氢的全生命周期碳排放均较为敏感, 电耗对蓝氢、绿氢的全生命周期碳排放均较为敏感.

表 6 碳足迹敏感性分析/% Table 6 Sensitivity analysis of carbon footprint/%

2.4 不确定性分析

环境影响和碳足迹的量化需要大量活动水平数据以及排放因子数据, 数据因为时空异质等因素存在不确定性, 进而会对最终结果的准确性产生影响. 因此基于误差传播方程[47]对各氢能产品生命周期清单数据的不确定性进行分析, 以确保环境影响和碳足迹核算结果的准确性.

(1)
(2)

式中, Cei为第i个阶段中环境影响类别或碳源计算的不确定性(%);CFi为排放因子的不确定性(%);CRi为各氢能系统活动水平数据的不确定性(%);Ctotal为总的不确定性(%);Ei为第i个阶段不同环境影响类别或碳源的量(mPt或kg).

参考张晓梅等[48]的研究, 排放因子的不确定性和活动水平数据的不确定性分别取10%和5%. 各氢能产品的不确定性分析结果如表 7所示, 最高不超过10%.

表 7 不确定性分析结果/% Table 7 Uncertainty analysis results/%

2.5 与ReCiPe方法对比

各氢能产品使用本地化终点损害类评价模型与ReCiPe模型的结果对比如图 6所示. 使用本地化终点损害类评价模型得出的环境影响潜值均较ReCiPe模型的高, 灰氢(煤)、灰氢(气)、蓝氢(煤)、蓝氢(气)和绿氢分别高121%、133%、123%、153%和232%, 两者评价结果差异较大. 分类别环境影响中, 各氢能产品的ReCiPe模型评价结果均为人体健康所占比例最大, 占比均超过90%, 本地化终点损害类评价模型仍为人体健康所占比例最大, 但占比有所下降. 从上述对比结果可知, 不同评价方法的结果差异较大, 不同国家或地区的电力生产方式、能源来源和技术水平不同, 本地化终点损害类评价模型适用中国实际情况, 因此相较于其他模型更能反映实际情况, 更加准确和可靠.

图 6 各氢能产品本地化方法与ReCiPe方法评价结果对比 Fig. 6 Comparison of evaluation results between localization method and ReCiPe method for each hydrogen product

3 结论

(1)从分类别的环境影响看, 灰氢和蓝氢的环境影响主要集中在气候变化、对呼吸系统影响和化石燃料方面, 绿氢的环境影响主要集中在气候变化、对呼吸系统影响、化石燃料和矿产资源方面. 从环境影响的最终破坏终点来看, 均主要集中对人体健康损害方面.

(2)5种氢能产品生命周期环境影响潜值由大到小依次是灰氢(煤)、蓝氢(煤)、灰氢(气)、绿氢和蓝氢(气), 分别为1203、876、492、323和252 mPt·kg-1. 绿氢略高于蓝氢(气), 位于第4位. 以煤为原料制氢对环境的影响远大于以天然气为原料制氢, 应逐步降低煤制氢产品比例, 提高加装CCS装置天然气制氢和绿氢产品比例.

(3)5种氢能产品按碳排放由小到大排序, 依次是绿氢、蓝氢(气)、灰氢(气)、蓝氢(煤)和灰氢(煤), 碳足迹(以CO2eq计)分别为1.97、3.47、10.97、11.07和23.79 kg·kg-1. 绿氢碳排放最小, 在当前的碳中和背景下, 最具发展优势;制氢原料相同时, 采用CCS技术的氢能产品碳排放明显减少.

(4)在所有的环境要素中, 除污染物排放外, 电力引起的环境影响均较高, 敏感性分析结果显示, 降低氢能产品环境影响, 不仅要关注污染物减排和降低电耗, 还要关注原料替代和减量.

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