沙特阿拉伯基于PEM电解水耦合海水淡化技术的绿氢生命周期评估：可再生能源驱动下的碳减排与资源优化

本研究针对沙特阿拉伯淡水稀缺地区绿氢生产的环境影响问题，采用质子交换膜水电解(PEMWE)耦合海水淡化技术，结合光伏(PV)与风电两种可再生能源方案，开展生命周期评估(LCA)。结果显示：风电驱动方案碳排放仅0.76 kg CO2 eq/kg H2，较传统蒸汽甲烷重整(SMR)减排95%，金属耗用(7.19×10?2 kg Cu eq/kg H2)显著低于光伏方案，为中东地区绿氢规模化生产提供关键数据支撑。

　　

在全球气候危机加剧的背景下，氢能作为零碳能源载体被寄予厚望。然而当前全球94%的氢产量仍依赖化石燃料，仅2021年就产生超900 Mt CO₂排放。沙特阿拉伯作为传统油气大国，在"2030愿景"框架下提出通过绿氢实现能源转型，但其淡水稀缺特性使得海水淡化成为绿氢生产不可回避的环节。这一独特情境引发关键科学问题：在可再生能源丰富但水资源匮乏的中东地区，耦合海水淡化的电解水制氢技术真实环境效益如何？

为解答这一问题，由NEOM教育研究创新基金会资助的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表重要成果。研究采用Aspen Plus v14流程模拟与ReCiPe 2016生命周期评价方法相结合的技术路线，重点分析光伏与风电两种供电模式下PEM电解系统的全球变暖潜能值(GWP)和金属耗竭(MD)等指标，并首次将反渗透海水淡化(RO)纳入系统边界。研究数据来源于沙特实际光照辐射(2500 kWh/m²/年)和风速分布(6.5 m/s年均值)，电解槽参数基于商业PEM系统设定(电流密度2 A/cm²，效率67-82%)。

材料与方法
研究构建"从摇篮到闸门"的系统边界，包含光伏板/风机制造、海水淡化、PEM电解槽运行等单元。采用层次化建模策略：先通过Aspen Plus计算物料-能量平衡，再导入SimaPro进行生命周期影响评估。关键假设包括：年产氢量1万吨、电解效率75%、海水淡化能耗3.5 kWh/m³，数据质量遵循ISO 14040标准。

结果

1. 碳足迹方面：风电方案展现绝对优势(0.76 vs 3.66 kg CO₂ eq/kg H₂)，主要归因于沙特优越的风能资源(容量因子38%)和较低的基础设施碳排放。
2. 资源消耗方面：光伏方案金属耗用量高出155%，关键因素在于硅基光伏板对铜、银等金属的密集需求。
3. 水处理影响：尽管淡化环节贡献相同绝对排放(0.12 kg CO₂ eq/kg H₂)，但在风电方案中占比提升至15.8%，凸显系统优化重点。

结论与讨论
该研究首次量化证实：在沙特特定条件下，风电驱动PEM电解是最具环境竞争力的绿氢路径。尤为重要的是，发现电解槽本身仅贡献3-5%的碳排放，而90%以上影响来自可再生能源基础设施，这一结论颠覆了"电解槽材料是减排瓶颈"的传统认知。研究建议：未来应优先发展风电-PEM组合技术，同时建立贵金属(Ir、Pt)回收体系以降低金属耗竭风险。成果为沙特"绿色倡议"提供科学依据，对全球干旱地区的氢能布局具有范式意义。