综述：南非水资源与生物质资源制氢的经济与环境效应研究

《Hydrogen》：Economic and Environmental Impact of Water and Biomass Resources for Hydrogen Production in South Africa Mboneni Charity Mbengwa, Emmanuel Kweinor Tetteh and Sudesh Rathilal

　　

本研究在统一系统边界及“工厂交货1 kg纯度99.97%的H2”这一共同功能单位下，对比了两类制氢路径：一类是利用可再生能源驱动的电解（碱性水基）技术从水中制取氢气，另一类是生物质气化路线。研究人员重点考察了技术效率与环境效应，涵盖各路径从摇篮到大门的全生命周期评价（LCA），关注全球变暖潜势（GWP100）、水资源消耗、土地利用、酸化潜势、累积能量需求以及关键矿物足迹。分析凸显了水电解与生物质气化在南非能源格局中的作用，同时考虑了可再生电力接入、能源品质以及副产品分配等因素。研究人员还评估了平准化制氢成本（LCOH）等经济指标，并将其与环境指标相结合。研究强调了生物质气化面临的环境挑战，尤其是用水量与排放问题，并与可再生能源驱动电解所具备的气候效益进行了对比。此外，研究回顾了支持南非氢能及可持续能源发展的政策举措与政府计划，指出其与联合国可持续发展目标（SDGs）的一致性。总体而言，研究结果揭示了氢能发展过程中的权衡取舍，既强调资源利用的机遇，也指出了部署过程中需要应对的挑战。

1. 引言

氢能正日益被视为全球低碳能源系统转型中的关键能源载体，其广泛应用于发电、交通、工业及储能等领域，在以低排放路径生产时，可成为化石燃料的重要替代选择。然而，氢能的可持续性高度依赖于生产路线、原料类型以及整个价值链的环境影响，因此厘清不同制氢路径的技术效率与环境表现，对于科学决策与政策制定至关重要。水资源与生物质路线因其在减排和降低化石资源依赖方面的潜力受到广泛关注。水基制氢主要通过电解实现，当电力来自太阳能、风能等可再生能源时，通常被视为清洁路径；但在缺水或电力碳强度较高的地区，电解系统仍面临能效、电力需求、水资源可得性及全生命周期环境负担等挑战。生物质制氢包括气化、热解和重整等工艺，能够兼顾废物管理与能源回收，利用本地可用原料提高能源安全，减少填埋量和甲烷排放；但存在原料波动性大、焦油生成、工艺复杂以及若管理不善可能产生二氧化碳及其他污染物等技术局限。现有研究多聚焦于单一技术或区域案例，缺乏在统一框架下对水基与生物质路线的综合比较。除成熟的水电解与生物质气化外，光催化水分解与生物电化学路径等新兴技术也在不断发展，尤其在太阳能资源丰富的南非具有长期潜力，需要在技术成熟度（TRL）、性能及区域适配性层面予以统筹考虑。

2. 南非氢能发展

清洁氢能在南非工业部门受到高度重视，有望为就业创造与可持续发展提供重要机遇。南非拥有发展氢能的独特优势：丰富的太阳能与风能资源、充足的土地资源以及用于电解槽与燃料电池催化剂的铂族金属储备。政府发布的《氢能社会路线图》旨在到2050年建成具有竞争力且可持续的氢能经济体系，推动交通、工业与电力领域广泛应用氢能，并着力发展绿氢与绿氨出口市场。为实现这一目标，南非实施了一系列政策与规划，包括《国家气候变化应对政策（2011）》《碳税法案（2019）》《综合资源计划（IRP）》《环境影响评估（EIA）条例》以及对《巴黎协定》的国际承诺，并通过可再生能源独立发电商采购计划（REIPPPP）吸引私人投资。在省级层面，北开普省在太阳能光伏、风能及生物质利用方面部署领先，东开普省与西开普省亦贡献显著。与此同时，废物转能源（WtE）倡议将城市固体废物（MSW）与农业残余物转化为氢能，既缓解废物管理压力，又提供清洁能源。当前，生物质资源仅在少数省份得到充分利用，高人口密度地区仍存在较大开发空间。不过，氢能部署仍面临诸多挑战：激励措施相对有限、基础设施薄弱、高生产成本、监管框架不清晰以及氢气易燃易爆带来的安全风险等，均制约了其大规模商业化进程。

3. 制氢能源资源

3.1 生物质制氢

生物质制氢主要通过热化学与生化转化工艺，将有机物料转化为富氢气流。在南非，热化学路径中的气化技术最受关注，通常在700–1000 ℃条件下进行部分氧化，生成以氢气、一氧化碳、二氧化碳及甲烷为主的合成气，再经水气变换反应与气体净化将氢浓度提升至可用水平。气化技术兼容多种原料，可与南非已有的煤气化经验与设施衔接。从环境角度看，生物质被视为碳中性资源，其转化过程中释放的二氧化碳可被植物生长阶段吸收；利用废弃物还可减少填埋产生的甲烷排放。从社会经济角度，生物质制氢有助于农村发展、就业创造与能源多元化，契合国家氢能战略与气候承诺。市政固体废物因其低成本与广泛分布成为极具潜力的原料，其成本结构受废物收集费、填埋入场费、预处理成本与物流费用等多重因素影响。

3.2 水电解制氢

碱性水电解（AWE）是目前最成熟、商业化程度最高的水基制氢技术，利用氢氧化钾或氢氧化钠等碱性电解液，在60–90 ℃与常压至中压条件下将水分解为氢气与氧气，电效率约为60–70%（基于氢低热值）。在南非，该技术可与北开普、西开普及东开普等地优质的太阳能与风能资源结合，实现低排放绿氢生产。水资源可得性是关键限制因素，特别是在缺水地区，可采用处理过的废水、淡化海水或矿山排水作为水源，但这会增加预处理复杂度与成本。电解过程的可持续性在很大程度上取决于电力来源，只有与专用可再生能源系统耦合，才能显著降低全生命周期排放。南非《氢能社会路线图》将水电解列为未来氢能出口与国内应用的核心技术，但其大规模部署仍需在可再生发电能力、供水基础设施以及储运体系等方面进行大量前期投入，并配套协调的政策支持与技术持续创新。

3.3 生物质与水资源的展望与挑战

制氢的经济性受生产方式、基础设施、市场条件与监管环境共同影响。在当前技术与经济条件下，利用生物质与残余废物制氢在许多发达国家已具备技术与经济可行性，预计到2050年生物质将满足超过25%的能源需求。实验研究表明，在相近产能规模下，生物质气化的制氢成本低于碱性水电解。成本构成主要包括资本支出（CAPEX）（设备与基础设施建设）与运营支出（OPEX）（原料、电力、水及维护费用），并以平准化制氢成本（LCOH）衡量全周期单位成本。生物质原料如餐厨垃圾、农用化学品、混合塑料、医药废物、城市垃圾残渣与动物粪便等在南非储量丰富、价格低廉，为低成本制氢提供了原料保障。

3.4 制氢路径的全生命周期评价（LCA）

全生命周期评价（LCA）是一种系统化方法，用于量化产品、工艺或系统在其完整生命周期内的环境影响。本研究采用SimaPro 10.2软件与ReCiPe 2016方法，以南非为背景，对生物质气化与可再生能源驱动的碱性水电解进行从摇篮到大门的评价，功能单位为工厂交货1 kg H₂。结果显示，市政固体废物气化在大多数影响类别中贡献最高，尤其是在全球变暖潜势、化石资源稀缺性与水资源消耗方面占比超过50%；而电解路径在气候相关影响方面显著更低，但在电离辐射、人体毒性与矿物资源稀缺性等类别中贡献更高，尤其是光伏驱动的系统因材料密集度较高所致。风电驱动的电解得分略优于光伏驱动，风光互补系统则表现出折中性能。总体而言，可再生电力驱动的碱性水电解在气候变化与空气污染相关指标上优于生物质气化，但在矿物资源稀缺性、土地利用与水资源消耗方面影响更大；生物质气化虽排放强度较高，但在废物增值与降低关键矿物依赖方面具有优势。

3.4.2 土地、水、林业与碳足迹

非洲绿色氢能发展可能对土地及其他自然资源形成压力。若仅依靠本土生产满足2050年的氢能需求，需在土地与水资源充足的前提下合理布局太阳能与风能设施。研究指出，生物质热化学转化（气化与热解）在环境友好性方面仍有不足，需配合碳捕集技术以降低碳足迹；而生物质的生物转化（暗发酵与光发酵）则在减碳与能源供给方面潜力显著。综合来看，将水电解与太阳能、风能等可再生能源结合，是利用南非可再生资源制氢的最具成本效益与环境友好性的路径。

3.4.3 生物质增值中的废物转能源效益

废物增值是指将废弃物料转化为有价值的资源或能源，包括再利用、再循环与堆肥等工业方法。近年来，水热与生物处理技术的进步显著提升了生物质增值效率，提高了目标产物收率并降低了环境影响。在非洲，将食物、木材、农业残余物及粪污等废弃物转化为氢能，被视为生态友好型路径，既能缓解废物管理压力，又能应对能源短缺，尤其有助于改善南非废物行业面临的用地紧张局面。

3.4.4 电网脱碳对电解可行性的影响

当前南非电网难以承载新增电力需求，必须新建发电容量。预测显示，到2030年，若在没有足够可再生能源装机的情况下并网生产50万吨氢，可能导致电价上涨20–25%。此外，绿氢生产对水资源的依赖促使大型项目选址于沿海地区以便利用海水淡化，这进一步增加了对电网输送能力的需求。最新的输电发展规划预计，提升58 GW输电能力需7–10年，但仍不足以达到100 GW的目标，这对南非绿氢产业发展构成现实约束。

3.5 生物质与电解路线的比较性SWOT分析

SWOT分析表明，生物质与电解制氢各具优势与劣势。生物质路线的优势在于可利用本地废弃物、促进农村发展与就业；劣势在于工艺复杂、排放较高且受原料质量波动影响。电解路线的优势在于产品纯度高、排放低、模块化程度高；劣势在于对可再生电力与水资源依赖强、关键矿物需求大且初期投资高。两者均能为南非带来能源安全提升、排放削减、经济增长、技术创新与就业创造等社会经济协同效益，并直接支撑联合国可持续发展目标（SDGs）中的SDG 7（可负担清洁能源）、SDG 9（产业、创新与基础设施）、SDG 12（负责任消费与生产）与SDG 13（气候行动）。

4. 结论

本研究系统评估了南非水资源电解与生物质气化两类可持续制氢路径。水电解在可再生能源驱动下可稳定生产高纯度氢气，在气候变化与空气污染相关环境影响方面表现更优，且模块化特性使其易于融入不断扩大的可再生能源体系。生物质气化则能有效利用市政与农林废弃物，实现废物增值，尽管全生命周期温室气体排放较高，但可减少填埋与甲烷排放，存在明显环境权衡。未来需在可持续生物质供应链建设、农村生物质物流优化、土地利用评估、地下水可持续开采、水处理系统集成以及成本优化配置等方面开展深入研究，以构建适应南非资源禀赋、兼具环境责任与经济可行性的氢能产业。