用于冷链物流的富氢合成气：生物质气化整合的生命周期评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen-rich syngas for cold chain logistics: A life cycle assessment of biomass gasification integration

生物质气化制氢驱动SOFC冷藏卡车可降低74.83kg CO?eq/趟，显著优于柴油车。通过回收燃料电池废热运行吸收式制冷，无需额外燃料，实现碳负排放。研究填补了移动物流中高温燃料电池热整合的技术空白，为城市固废资源化提供新范式。

　　

Mehmet Utku ?ztürk | Azize Ayol

九月九日大学，自然科学与应用科学研究生院，环境工程系，35390，布卡，伊兹密尔，土耳其

摘要

传统的城市冷链物流由于独立的运输制冷单元（TRUs）通常以15-20%的低效率运行，因此能耗较高。这显著增加了车辆发动机的温室气体排放。为了解决这一双重能源使用问题，本研究提出了一种循环框架：“生物质-氢-制冷”，用于城市食品配送。该框架涉及通过气化利用当地可获得的废弃物生物质（如橄榄渣、绿色废物和处理污泥）生产富含氢的合成气。与主要关注质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的传统氢能车辆研究不同，本研究评估了一种由固体氧化物燃料电池（SOFC）驱动的冷藏卡车，该卡车能够回收高温废热来运行吸收式冷水机。对三种情景进行了生命周期评估（LCA）：柴油卡车、PEMFC卡车和所提出的SOFC卡车。热力学分析证实，SOFC产生的废热足以满足整个制冷系统的需求，而无需额外燃料。从环境角度来看，SOFC系统的碳负性能为每次运输减少74.83公斤二氧化碳当量，而柴油基系统的排放量为104.65公斤二氧化碳当量。此外，还观察到烟雾形成、酸化和化石能源消耗的显著减少。总体而言，研究结果表明，将废弃物衍生氢气生产与基于SOFC的废热回收相结合，为冷链物流的脱碳提供了一种技术上可行且环境上更优的解决方案，特别是在废弃物丰富的城市地区。

引言

冷链在储存和运输过程中对保持易腐商品的质量起着至关重要的作用。然而，维持所需的冷却温度会消耗大量能源。随着全球人口的持续增长，对冷链网络的需求也在增加。据估计，全球约15%的能源生产用于驱动冷链和冷却系统[1,2]。而这15%的能源仍然依赖于化石燃料[3]。虽然制冷对食品安全和减少废物至关重要，但当前冷却技术的能源密集型特性使其成为温室气体（GHG）排放和气候变化的重要贡献者[4]。传统的冷藏运输单元主要依靠辅助柴油发动机驱动的蒸汽压缩系统运行。这些系统的性能系数（COP）通常低于固定式制冷系统[5]。此外，这些单元中使用的发动机往往比车辆的主要推进系统受到较少的监管，导致颗粒物（PM）、氮氧化物（NOx）和二氧化碳（CO₂）的排放量不成比例地高[6,7]。

从柴油驱动转向氢基冷藏运输单元可以显著减少碳排放并提高能源效率。氢燃料电池为制冷提供了更清洁、更可持续的能源[5]。因此，实现冷链的脱碳已成为政策制定者和研究人员的一项紧迫任务，他们旨在实现包括《巴黎协定》中规定的国际可持续发展目标。

为了寻找更可持续的替代方案，电池电动汽车（BEVs）变得越来越重要。然而，在冷藏运输中，BEVs由于推进和持续制冷的双重能源需求而面临重大限制。这种结合的能源需求会迅速耗尽电池电量，严重缩短车辆的续航里程和运行时间。这一限制在商业物流中尤为关键，因为充电停机时间可能导致重大的经济损失。这些挑战促使我们探索将氢融入冷链物流的可能性[5]。

整合使用生物质衍生富含氢的合成气的创新冷却系统有望提高冷链物流的能源效率并减少碳排放。传统冷却系统主要依赖化石燃料，这大大增加了温室气体排放和能源消耗。相比之下，氢具有较高的能量密度和快速的加注能力，可与柴油相媲美，使其非常适合重型应用，如冷藏运输[8,9]。2024年和2025年发表的最新生命周期评估（LCA）研究表明，如果氢来自可持续途径，燃料电池电动汽车（FCEVs）的生命周期温室气体排放量可以比柴油车辆减少50%至80%[10,11]。

氢经济的可持续性与其生产方法密切相关。虽然由可再生能源驱动的电解除法（通常称为绿色氢）是一个被广泛讨论的途径，但它需要大量的淡水资源和可再生能源发电能力[12]。具体来说，电解除法生产1公斤氢需要9到11升纯水[13]。另一种更具循环性的方法是生物质和废弃物的热化学转化。生物质气化将农业残渣、处理污泥和食品加工副产品等有机材料转化为富含氢的合成气。这种“废物转能源”的方法同时解决了两个环境问题：它提供了一种可再生的氢能源，同时也为否则会在垃圾填埋场释放甲烷的有机废物提供了一种可持续的处理方法[14,15]。最近的比较分析表明，通过生物质气化生产氢的碳足迹可能低于某些电解途径[16]。

生物质气化是一种在700°C至1200°C温度范围内进行的热化学转化过程。在此过程中，生物质在空气、氧气或蒸汽等气化剂的作用下分解，产生富含氢的合成气，其中包含氢（H₂）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）和其他微量气体。橄榄渣、绿色废物和处理污泥等原料由于其丰富性和废物增值潜力，特别适合这一过程[3]。

为了最大化氢产量，合成气会经过额外的处理过程，例如水煤气变换（WGS）反应。该反应将一氧化碳和水转化为更多的氢和二氧化碳。另一种方法，压力摆动吸附（PSA），用于分离和纯化氢以供能源应用。这些技术对于提高氢作为制冷系统清洁能源的可行性至关重要[3]。

尽管氢具有巨大潜力，但目前燃料电池在冷藏运输中的技术集成主要针对推进而非制冷进行了优化。大多数FCEVs使用质子交换膜燃料电池（PEMFCs），因为它们具有较高的功率密度和快速的启动时间。然而，本研究建议探索使用固体氧化物燃料电池（SOFCs）进行废热回收和制冷[17]。这项研究通过考察SOFCs在冷藏运输应用中的可行性，提出了从传统PEMFC方法的转变。虽然SOFCs通常用于固定式发电，因为它们的启动时间较长，但它们在高温（600-1000°C）下运行[18]。这种废热可以成为制冷系统的宝贵资源，前提是能够将其用于驱动吸收式冷水机，后者利用热能而非电能进行冷却[19]。如果SOFCs能够成功与吸收式冷水机集成，就可以仅依靠回收的热能来满足卡车的制冷需求，从而减少所需的氢消耗。这种结合冷却、热能和电力（CCHP）的系统可以提高整体系统效率，并可能消除对单独柴油发动机或额外电池电源的需求[20,21]。

生命周期评估（LCA）对于评估所提出的富含氢的合成气冷却系统的环境可持续性至关重要。LCA能够详细分析冷链物流整个生命周期的环境影响，从生物质原料的获取到制冷系统的报废处理[22]。

本研究的主要目的是使用LCA评估一种新型“生物质-氢-冷链”路径的环境可行性。具体而言，该研究模拟了土耳其伊兹密尔地区的本地供应链，利用本地生物质资源（包括橄榄渣、绿色废物和处理污泥）生产氢。它比较了利用废热进行冷却的SOFC驱动冷藏卡车与PEMFC驱动冷藏卡车和传统柴油驱动基线卡车的环境影响。研究结果旨在填补关于高温燃料电池在移动物流中热集成方面的文献空白，为向循环、基于氢的冷链经济转型提供基于证据的见解。

研究部分片段

研究定义

本研究探讨了利用生物质气化生产的氢在可持续冷链物流中的应用。各种生物质原料（包括绿色废物、处理污泥和橄榄渣）被混合并气化以生成富含氢的合成气。产生的氢作为冷藏卡车的唯一能源，同时满足推进和冷却需求。整个过程专门设计以适应伊兹密尔的城市运营条件

结果

评估了所提出的基于生物质的SOFC冷藏卡车的环境和技术性能，并将其与传统的柴油基线和标准PEMFC替代方案进行了比较。

完成所有计算后，将定义的系统边界内的元素输入SimaPro，并进行了生命周期分析。这些计算的结果见表3。

比较LCA显示柴油卡车与...

结论

本研究评估了一种新型循环经济框架在冷链物流中的环境和技术可行性，具体模拟了利用土耳其伊兹密尔城市废弃物气化产生的氢驱动的SOFC冷藏卡车。通过将这一系统与传统的柴油卡车和标准PEMFC车辆进行比较，研究强调了实现温度敏感食品供应链脱碳的关键途径。热力学分析提供了明确的...

CRediT作者贡献声明

Mehmet Utku ?ztürk：撰写——原始草稿、验证、方法论、调查、数据管理。Azize Ayol：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督、软件、资源、方法论、调查、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。