绿氢供应链评估的协调统一：一种模块化与参数化的生命周期评价框架

《Energy & Environmental Science》：Harmonizing the assessment of (green) hydrogen supply chain: a modular and parametrized life cycle assessment framework

　　

尽管关于绿氢技术的生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）研究数量不断增长，但在如何界定LCA建模框架的研究范围以及如何以透明方式传播结果方面仍缺乏协调统一，这使该领域无法充分利用不断扩展的知识体系。本文提出了一个协调统一的LCA框架，用于支持对绿氢供应链的一致性评估，并与功能等效的替代方案进行比较。该框架指导实践者定义功能单位（Functional Unit, FU），并针对已识别的六类氢终端应用进行定制。研究构建了一个统一且灵活的模块化过程树结构，可用于描述任何绿氢技术的价值链，其中每个模块均代表产品系统中的独立构件，可被修改或替换。该框架提供了一个参数化清单模型（parametrized inventory model），将产品系统中的各类流与表征其设计或性能的关键参数相连接。该框架已被集成到专用LCA工具HTWOL中，并由一个模块库提供支持，该模块库表示基础过程的预设配置（例如电解槽技术），从而提升了不同专业水平用户的可及性。该框架已连续应用于具有代表性的使用案例。结果表明，为交付功能单位，必须确保低影响能源供给，并始终致力于最大化整体能效。绿氢技术在环境上具有相关性的部署方向，应瞄准缺乏可行化石替代路径的终端应用（例如氨生产）以及长期可再生电力储存。同时，面向直接电气化与需求削减的努力仍须并行推进。

该文发表于《Energy》，核心目标是解决绿氢生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）研究中长期存在的方法学碎片化问题。随着电解水制氢、燃料电池、储氢与配氢系统快速发展，关于绿氢环境绩效的LCA研究数量显著增加，但既有成果在功能单位（Functional Unit, FU）设定、系统边界划定、清单模型构建、技术成熟度设定以及结果表达方式等方面差异显著，导致不同研究之间难以直接比较，也难以支持产业投资、基础设施布局与政策制定。尤其是在绿氢常被视为能源转型关键载体的背景下，若缺乏统一、透明、可迁移的评价框架，就难以准确识别不同氢技术在不同应用场景下的真实环境优势与局限。因此，开展一项面向全供应链、可跨技术类型与跨终端用途的协调化LCA框架研究，具有重要的方法学与应用价值。

针对上述问题，研究人员首先系统梳理了绿氢LCA文献，识别出五类主要不足：一是功能单位有时基于中间氢产品，有时基于最终服务，比较基础不统一；二是储存、分配、泄漏、报废及部分核心部件等过程常被遗漏；三是生命周期清单（Life Cycle Inventory, LCI）多依赖静态数据，缺乏参数化表达；四是不同研究采用的效率、尺度、制造指标口径不一致；五是技术成熟度与系统规模表述不足。基于此，研究提出三项核心方法学贡献：以终端用途为导向定义功能单位；以统一模块结构组织绿氢价值链；构建将物质流与设计/运行参数显式关联的参数化LCI模型。在此基础上，研究人员进一步将该框架嵌入在线工具HTWOL，实现自动化环境影响计算、预设技术配置调用以及不同方案对比分析。

方法上，研究人员围绕六类主要氢应用构建框架：化学原料平台、工业高温供热、家庭热电联供、道路交通、海运货运、可再生电力储存/可控发电。针对每类应用，框架均明确推荐FU，并通过流程图指导是否纳入发电、电解、后处理、储存、运输、燃料电池回转化以及终端使用过程。随后，研究建立了统一模块化结构，将供电、电制氢、后处理、分配、储存、回转化和终端使用组织为可替换模块，并将每一模块拆分为运行消耗品、堆栈制造、辅助系统（Balance-of-Plant, BoP）制造和寿命终结（End-of-Life, EoL）四类基本过程。在参数化层面，研究依据电流密度、电池电压、退化率、寿命、氢泄漏率、BoP能耗、热需求、压力、纯度等关键参数，建立了可随技术类型、规模与成熟度变化而更新的LCI方程体系。研究还为AEL、PEMEL、AEMEL、SOEL及多类燃料电池、储运方式和能源结构开发了预设配置，并利用Impact World+ v2.0方法开展环境影响评价，同时引入氢排放的气候变化表征因子。

用于开展研究的主要关键技术方法包括：系统性文献综述，用于归纳现有绿氢LCA在功能单位、系统边界、清单建模和技术设定上的不一致；模块化生命周期建模，用统一模块结构覆盖电力供给、电解、后处理、储运、回转化及终端使用全过程；参数化生命周期清单（LCI）建模，以电流密度、电压、效率、寿命、泄漏率、压力和纯度等关键参数驱动清单流计算；预设技术配置库构建，覆盖不同电解槽、燃料电池、储运方案及2025/2030/2050成熟度情景；基于HTWOL的工具化实现与案例验证；采用Impact World+ v2.0开展气候变化、人类健康、生态质量等指标评价。样本来源并非实验队列，而是文献、ecoinvent v3.10数据库及补充技术经济资料。

在研究结果部分，论文依次围绕三个目标展开。

Identification of the hotspots for a solid oxide system
研究人员首先以一个固体氧化物（Solid Oxide, SO）供氢—储氢—回转电系统为基准案例，分析交付1 kWh可控电力时的环境热点。结果显示，氢再转化为电力阶段是环境影响最大的生命周期阶段，占比约68%–70%；其次是储存在氢中的可再生电力及其相关损失，以及电解过程本身。若按基本流分解，最主要贡献来自为补偿氢损失而进行的额外产氢，其次是供应链全过程中的电力消耗。相比之下，堆栈制造、设备制造、水耗和部分热耗贡献较小。这一结果表明，绿氢系统的关键环境瓶颈并非主要来自制造环节，而是来自能量转换损失与氢泄漏所引发的额外上游负担。

随后进行的敏感性分析进一步证明，能源结构是影响结果的首要因素。与可再生电力相比，采用欧洲平均电网电力会使气候变化影响提高约7倍；采用天然气供热相对电加热也会明显增加影响。热回收可使影响降低约33%–50%。技术类型和成熟度同样重要：不同电解槽和燃料电池组合可造成最高约65%的差异，而从当前性能发展至2050目标情景可带来最高约35%的减排潜力。相较之下，系统规模影响较小，仅引起约0–6%的变化。此外，氢气压力、纯度要求、储存方式和运输方式也会显著影响结果，说明必须依据应用目标严格设定系统边界。

Comparison between solid oxide and proton-exchange membrane technologies
在第二部分，研究人员比较了固体氧化物（SO）与质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）技术在四类应用中的环境表现。结果表明，技术优劣并非固定，而高度依赖应用场景。对于德国氨生产用氢和季节性储电后发电场景，SO体系优于PEM体系，原因在于SOEL高温运行可降低某些催化材料需求，且在存在可利用余热时，其“电+热”能量需求结构更有利；在储电回转电案例中，SOFC产出的高温热具有更高火用（exergy），在采用火用分配时可进一步降低分配到电力部分的环境负担。相反，在高纯氢直接注入工业流程和建筑热电联供场景中，PEM优于SO。其主要原因是SOEL部分能耗表现为热需求，当热源来自天然气时会显著增加影响；同时，当应用要求99.999%高纯度氢时，SOEL还需额外纯化步骤，而PEMEL本身即可产出超纯氢，从而避免后处理带来的额外环境负担。该结果强调，不存在对所有应用都最优的单一氢技术路线，技术选择必须与终端用途、热源条件和产品纯度要求相匹配。

Comparison of the solid oxide baseline with alternative technologies
第三部分将固体氧化物基线方案与功能等效替代技术进行比较，以评估绿氢部署的环境相关性。结果显示，在所有所分析场景中，绿氢系统相对于化石替代路径均表现更优：例如，相对蒸汽甲烷重整（Steam Methane Reforming, SMR）制氢、工业燃料供热、传统船用燃料、汽油车以及联合循环发电，绿氢方案在气候变化指标上均具有明显优势。这说明在化石基线占主导的部门，若绿氢以低碳电力驱动，确有显著减排潜力。

然而，与多种电气化替代技术相比，绿氢系统通常处于劣势。直接电加热优于氢燃烧供热，热泵+可再生电力优于家庭氢热电联供，电池电动车（Battery Electric Vehicle, BEV）优于燃料电池汽车，抽水蓄能优于氢季节储能，核电也优于以氢链条实现的可控发电。造成这一现象的根本原因在于绿氢供应链包含多次能量转换，整体能效较低，因此即便使用可再生电力，其单位功能的环境负担也常高于直接电气化路径。不过，对于长期、季节性储能，氢储能与电池的差距相对较小，在水电扩张受限地区，氢仍可能构成重要补充方案。因此，绿氢最具环境相关性的应用，集中在“难以直接电气化”且现有替代仍以化石方案为主的领域，如化学原料生产和长距离航运。

Discussion and limitations
讨论部分首先指出，现有文献普遍低估了绿氢供应链的环境影响。与先前研究相比，本文估算的可再生电力制氢环境影响平均高出约40%。原因主要有三：其一，研究明确计入了BoP能耗、电堆退化等因素，使单位kgH₂电耗高于许多文献中的简化估计；其二，研究不仅评估产氢本身，还纳入压缩、运输、储存等交付终端用途所需的附加过程；其三，研究显式纳入氢泄漏及其气候影响，并考虑因泄漏造成的额外产氢需求。由此，本文认为若缺少完整供应链建模，绿氢环境绩效往往会被系统性高估。

在产业启示方面，研究得出三点结论。第一，绿氢最适用于缺乏成熟电气化路径的终端用途，如氨合成、炼化、金属还原以及航运燃料等；对于乘用交通、低温供热等存在成熟直接电气化替代的场景，不宜将绿氢作为优先方案。第二，降低环境影响的关键杠杆包括低碳能源供给、按应用选择合适技术路线以及持续技术创新。第三，即使在最佳条件下，绿氢环境影响仍受热力学极限、泄漏控制成本和材料—效率权衡约束，未来虽有望达到更低碳水平，但其生命周期温室气体排放大概率仍高于2–2.5 kgCO₂eq. per kgH₂。此外，研究也坦言框架仍存在局限，如部分物理关系尚未充分建模，预设参数受文献透明度和技术快速演进影响较大，氢泄漏不确定性较高，且当前框架尚未整合关键原材料、资源临界性、经济性和运行灵活性等多维指标。

研究结论部分可译为：
研究人员开发了一个面向燃料电池与电解槽技术的协调统一LCA框架。该框架基于明确的终端用途功能单位定义，从而确保不同应用在提供完全相同服务时具备功能等效性，并可在广泛终端用途之间实现公平、透明的竞争技术评估；基于灵活的模块化结构，从而能够一致性描述任何绿氢技术的价值链，促进研究间可比性与文献体系的逐步整合；基于面向各模块的参数化清单，使其在保持物理基础的同时适应不同技术情境，特别是能够显式表示部件退化和平衡辅助系统能耗等常被简化或忽略、却会导致能耗低估的现象。该框架已通过在线LCA工具HTWOL实现操作化。该工具提供预设配置库并自动执行LCA计算，从而保证不同专业水平实践者均可使用该框架。

HTWOL已应用于四类主要电解槽技术——碱性电解槽（AEL）、质子交换膜电解槽（PEMEL）、固体氧化物电解槽（SOEL）和阴离子交换膜电解槽（AEMEL）——以及6类代表性氢终端用途：化学原料平台、工业供热、货运航运、汽车运输、可再生电力储存和家庭热电联供。结果表明，该工具能够支持LCA的三类主要目标：与替代技术比较、不同氢技术家族之间比较以及生态设计支持。结果显示：绿氢在可行化石替代或电气化替代受限的终端用途上最具环境相关性，例如化学原料生产（如氨合成、金属还原）或长距离航运；相反，在乘用交通或低温供热等可直接电气化的应用中，绿氢系统无法优于基于电力的解决方案（如BEV或热泵）。技术选择取决于具体应用与情境：当存在低碳热源或工业余热时，SOEL通常表现更优；而在需要高纯氢的应用中，PEM电解更有优势，因为其无需额外纯化处理。总体而言，能源供给始终是环境影响的主导因素，因此电解槽使用低碳电力是绿氢优于SMR的严格前提。生态设计策略应聚焦于最大化整个氢供应链的能效，涵盖电堆与BoP制造、后处理、储存及运输。总体上，本研究在方法和工具两个层面推动了氢LCA的协调统一，并为未来能源系统中更理性、更有针对性的绿氢整合提供了支撑。