能源作物制氢生命周期中气候变化影响的动态评估：整合生物源碳流与时间动态的新视角

本研究针对传统静态生命周期评估（LCA）忽略排放时间动态及生物源碳中性假设的局限性，以西班牙西部安达卢西亚地区为例，通过动态LCA（dLCA）和CO2FIX模型评估了桉树木屑气化制氢（BIO系统）替代蒸汽甲烷重整制氢（BAU系统）的气候影响。结果表明，整合生物源碳流使静态和动态LCA的CO2当量排放分别降低176%和369%，动态LCA较静态进一步减少106%排放，凸显了整合时间动态与生物源碳核算对制定精准环境政策的关键意义。

　　

在全球能源转型和气候承诺的推动下，氢能作为清洁能源载体备受关注。然而，现有氢能生产严重依赖化石燃料，全球95%的氢源自碳密集型工艺，仅小部分通过电解水生产，且若电力结构仍以化石燃料为主，其温室气体排放依然显著。更棘手的是，当前主导的生命周期评估方法存在两大局限：一是采用静态方法，将不同时间点的排放简单叠加，无视大气中温室气体随时间衰减的动态过程；二是普遍假设生物源碳中性，即认为生物质燃烧释放的CO₂与其生长过程中的吸收量相等，忽略了具体生态系统的碳通量动态和 temporal trade-offs（时间权衡）。这些简化可能误导决策，甚至间接激励土地清理行为。

为突破这些局限，本研究以西班牙西部安达卢西亚地区为案例，探索利用边际 grassland（草地）种植桉树作为能源作物，通过气化制氢替代当地La Rábida炼油厂常规的蒸汽甲烷重整制氢。研究团队运用动态生命周期评估，并整合CO2FIX模型模拟生物源碳通量，旨在更真实地揭示该路径的气候影响。

本研究发表于《Science of The Total Environment》，采用了多项关键技术方法：首先，研究设定了从“摇篮到大门”的系统边界，功能单位定义为每年生产1 kg、压力24.82 bar、纯度≥99.9% vol的氢气，时间跨度为第3年至100年。动态生命周期清单以一年为时间步长构建。关键方法包括：利用CO2FIX模型（版本3.2）模拟桉树种植园的碳动态，追踪地上生物量、地下生物量和土壤碳库的年度变化；采用DynCO2工具（Excel版2.0）进行动态影响评估，计算瞬时全球变暖影响、累积变暖影响和CO₂当量排放；静态评估则基于GWP₁₀₀指标；生命周期清单数据主要源自Ecoinvent数据库3.10（通过SimaPro 9.4软件处理），并整合了本地化的运输距离和桉树种植参数。案例区域的边际土地数据来自MAGIC项目，并通过ArcGIS进行空间分析。

研究结果通过多个维度呈现：

3.1. 炼油厂氢生产潜力分析

基于桉树生产率18.8 m³·ha^?1·yr^?1、气化过程木屑需求11.99 kg/kg H₂以及边际草地覆盖率（71%），估算出年氢产量可达243,264吨，仅需9.25%的边际草地即可满足炼油厂22,500吨/年的需求，余量可供应周边化工集群。但研究指出，未考虑草地原有用途（如放牧）可能引发的间接土地利用变化效应，因此实际潜力可能被高估。

3.2. CO2FIX生物源碳通量模拟

模拟显示，桉树种植园碳储量呈周期性波动：地上和地下生物量随生长与采收（每两年采收茎干）而增减，根系每六年因翻耕操作锐减；土壤碳库总体呈上升趋势，主要得益于凋落物、根系周转和翻耕输入的有机质。草地转桉树初期碳汇效应显著，土壤碳积累加快。核算表明，碳被临时储存于茎干（次年气化）和长期储存于土壤，其中根系碳汇贡献最大。

3.3. 生命周期影响评估

关键数据对比揭示：

• •
  静态BAU系统：累计排放1191 kg CO₂-eq，平均12.2 kg CO₂-eq/kg H₂。
• •
  动态BAU系统：累计707 kg CO₂-eq，平均7.38 kg CO₂-eq/kg H₂（较静态降低40.7%）。
• •
  静态BIO系统（排除桉树碳）：231 kg CO₂-eq，平均2.35 kg CO₂-eq/kg H₂。
• •
  动态BIO系统（排除桉树碳）：134 kg CO₂-eq，平均1.37 kg CO₂-eq/kg H₂（降低41.8%）。
• •
  静态BIO系统（包含桉树碳）：-175 kg CO₂-eq，平均-1.79 kg CO₂-eq/kg H₂（碳汇）。
• •
  动态BIO系统（包含桉树碳）：-362 kg CO₂-eq，平均-3.69 kg CO₂-eq/kg H₂（碳汇，较静态提升106%减排）。
  整合生物源碳使系统从碳源转为碳汇，动态评估进一步放大效益。替代炼油厂全部氢需求可避免1.29×10⁷至3.07×10⁷吨CO₂-eq排放。动态指标GWI_inst（瞬时全球变暖影响）和GWI_cum（累积全球变暖影响）显示，BIO系统含碳流时 impacts 始终为负，且累积效益随时间持续提升。

3.4. 局限性与未来研究

研究指出多项局限：未评估桉树种植对土壤质量、生物多样性和野火风险的影响；仅考虑CO₂、CH₄、N₂O三种温室气体，未扩展至其他WMGHG（如SF₆）或NTCFs（近程气候作用物）；动态方法仅聚焦全球变暖，未涉及毒性、酸化等其他影响类别；未考虑地表反照率变化；边际土地可用性需排除高生物多样性草地；电力与运输排放假设恒定，未反映未来脱碳趋势；碳模型敏感性分析显示，CO2FIX与RothC模型趋势一致但定量存异，提示碳汇量化受模型结构影响。

研究结论强调，方法论选择对LCA结果影响巨大。动态LCA整合生物源碳流能更真实反映能源作物制氢的气候效益，避免静态评估的误导。案例表明桉树木屑气化路径可实现负碳氢生产，但结果高度依赖区域条件和生物源碳动态，需个案分析。该框架可推广至其他地区，为政策制定提供科学基础，推动氢能路径的精准环境管理。最终，研究呼吁LCA方法论革新，以时间动态和生态系统特异性碳核算为核心，支撑碳中和目标下的决策优化。