全球氢能项目温室气体减排潜力分析：基于全生命周期的气候效益评估

《Nature Energy》：Global greenhouse gas emissions mitigation potential of existing and planned hydrogen projects

本研究针对氢能应用气候效益不明确的问题，通过系统分析全球近2,000个低碳氢能项目的全生命周期温室气体（GHG）排放，揭示了氢能应用的减排潜力存在巨大差异。研究发现：钢铁制造、生物燃料和氨生产是最具气候效益的氢能应用方向，而道路交通、发电和居民供热领域应优先选择电气化替代方案。到2043年，规划氢能项目可实现年减排0.2-1.1 GtCO2e，但当前项目规模仅能满足碳中和目标所需氢能需求的18-50%。该研究为氢能战略优先序安排提供了关键科学依据。

　　

在全球应对气候变化的紧迫背景下，氢能被视为 decarbonize 难减排部门的关键抓手。然而，低碳氢的生产本身需要消耗大量可持续资源和能源，其制备过程伴随显著的温室气体排放。更关键的是，氢能在不同应用场景下的气候效益存在巨大差异。当前，政策制定者和产业界亟需明确：有限的低碳氢资源应该优先用于哪些领域，才能最大化其减排贡献？这正是《自然·能源》最新研究要回答的核心问题。

为了系统量化氢能应用的气候效益，由Tom Terlouw领衔的国际研究团队开展了一项开创性研究。他们构建了一个涵盖全球近2,000个已运营和计划氢能项目的数据库，采用前瞻性生命周期评估（LCA）方法，首次全面比较了14种主要氢能应用的温室气体排放和减排潜力。研究不仅考虑了氢的生产环节，还纳入了运输、储存和最终使用等全链条排放，并与两种参考情景（基于化石燃料的"一切照旧"情景和完全脱碳的"低碳"情景）进行对比分析。

研究方法的核心是整合国际能源署（IEA）氢能项目数据库与前瞻性生命周期评估框架。团队使用premise软件包（v.2.2.7）结合集成评估模型REMIND v.3.3的2°C情景（SSP2-PkBudg1150），对背景LCA数据库进行动态更新，以反映未来能源系统脱碳的影响。针对每个氢能设施，研究考虑了地理位置特定的条件（如太阳能光伏和风电容量因数），并通过优化模型确定独立可再生能源制氢系统的最佳配置（包括储能和弃电）。分析涵盖了从氢生产到最终应用的完整供应链活动，并采用环境足迹（Environmental Footprint）v.3.1方法计算全球变暖潜能值（GWP），同时考虑了氢泄漏的间接增温效应（11 kg CO₂e/kg H₂）。

氢能应用的GHG排放强度

研究发现，氢能应用的温室气体排放强度存在巨大差异，主要取决于氢源类型和项目地理位置。使用化石能源制氢（如天然气蒸汽甲烷重整或电网电解）的排放强度远高于可再生能源电解水制氢。对于大多数应用，化石燃料路线的气候影响可能是低碳路线的十倍以上。

与"一切照旧"情景相比，大多数氢能应用确实能降低温室气体排放。然而，当与"低碳"情景中的非化石替代方案比较时，氢能选项往往导致更高排放，特别是在居民供热和道路交通领域。这表明在这些应用场景中，氢能的减排意义有限。

氢能应用的减排潜力

研究通过对比两种参考情景，评估了各氢能应用的减排潜力。结果显示，生物燃料、钢铁制造和氨生产是最有前景的氢能应用方向，因为这些领域缺乏可行的低碳替代方案。

相比之下，氢能在道路交通、发电、甲烷应用和居民供热领域的应用应被谨慎对待，因为存在更具减排潜力的可扩展低碳替代方案（如直接电气化）。特别是发电和居民供热，电气化替代方案（如热泵）能实现更高的减排潜力和供应链效率。

氢能应用的整体GHG排放和减排潜力

到2043年，已规划氢能项目的年产量预计达到110 MtH₂，年排放约0.4 GtCO₂e，减排潜力在0.2-1.1 GtCO₂e/年之间，具体取决于所替代的产品或服务。

研究强调，仅量化氢生产相关的温室气体排放会遗漏约一半的气候影响。大部分额外排放来自氢在氨生产、移动性、未指定用途、甲醇、炼油、生物燃料和钢铁制造等应用环节。

国家特异性减排潜力

在国家层面，商业照常情景下减排潜力最高的国家是澳大利亚（133 MtCO₂/年）、美国（103 MtCO₂/年）和毛里塔尼亚（97 MtCO₂/年），占全球减排潜力的近三分之一。而低碳情景下，减排潜力最高的国家是毛里塔尼亚（26 MtCO₂/年）、巴拿马（21 MtCO₂/年）和英国（14 MtCO₂/年）。

研究结论与讨论

该研究揭示了当前氢能规划与碳中和目标之间的巨大差距：已宣布项目的氢供应量（110 MtH₂/年）远低于本世纪中叶的预期需求（110-610 MtH₂/年）。考虑到项目实施的不确定性，氢能对全球减排的实际贡献可能较为有限（仅占当前全球年CO₂排放的0.5-3%）。

研究团队提出了四项关键建议：加速氢能发展并采取支持性政策措施；在项目评估中强制使用环境LCA方法，并包含氢的应用环节；政策设计应优先支持具有最高减排潜力的氢能应用；将规划与需求之间的实施差距视为机遇，引导决策者和投资者关注最具气候效益的氢能应用。

该研究的创新之处在于首次对氢能应用的气候效益进行了系统比较评估，为全球氢能战略的优先序安排提供了科学依据。然而，研究也存在一定局限性，如未考虑经济标准，未来研究需要整合社会经济维度，结合市场行为和碳定价等因素，为决策提供更全面的评估框架。