中国太阳能热化学（STC）制氢技术的生命周期环境与经济可持续性评估：HyS与四步Cu-Cl循环的低碳H2优势及氧气共产品效应

《International Journal of Hydrogen Energy》：Environmental and economic sustainability assessment of solar thermochemical hydrogen production technologies in China

　　

研究人员对中国太阳能热化学（solar thermochemical, STC）制氢技术进行了环境与经济可持续性评估。在所研究的五种循环中，混合硫（hybrid sulphur, HyS）循环和四步铜-氯（copper-chlorine, Cu-Cl）循环具有最低影响。与化石基H₂相比，所有循环的气候变化影响低59–96%。HyS和四步Cu-Cl循环在所考虑循环中成本最低。其成本比化石H₂高2倍以上（5464–8034 $/t vs 2380 $/t）。将氧气作为共产品出售可使某些循环在成本上与化石H₂竞争。

论文解读：中国太阳能热化学制氢技术的环境与经济可持续性评估

低排放氢被视为交通、工业及电热领域的重要替代能源载体。2023年全球氢产量达97 Mt，但低排放“绿色”或“蓝色”氢不足1 Mt，其中多数仍依赖带碳捕集、利用与封存（carbon capture, utilisation and storage, CCUS）的化石燃料路线，水电解来源不足10%，且主要在中国。中国水电解制氢发展迅速，2023年占全球新增水电解产能80%以上，并建成中国石化260 MW库车项目。除碱性电解和质子交换膜（polymer electrolyte membrane, PEM）电解外，太阳能热化学（solar thermochemical, STC）制氢因具备超过500 t/day的大规模生产潜力而受到关注。太阳能塔式发电（solar tower power, STP）可提供比线性菲涅耳反射器和抛物槽集热器更高温度，适合与硫基循环如硫-碘（sulphur-iodine, S-I）、HyS，以及氯基循环如Cu-Cl、Mg-Cl等耦合。然而，S-I、HyS、Cu-Cl和Mg-Cl的STC技术仍处于实验概念验证阶段，技术成熟度（technology readiness level, TRL）为3–5。早期开展生命周期环境与经济可持续性评估，有助于识别热点、基准比较和指导研发优先级。已有生命周期评价（life cycle assessment, LCA）多集中于核能热化学制氢，STP耦合热化学制氢的LCA研究有限，且尚无针对中国STC制氢成本的研究，也缺乏对三、四步Mg-Cl循环的STC评估。由于LCA和成本结果对区域太阳能辐照等假设高度敏感，其他地区结果不能直接转移至中国。因此，Xiaoyu Huang、Harish K. Jeswani和Adisa Azapagic在一致假设、系统边界和方法下，评估中国五种最具前景STC循环：三步Mg-Cl、四步Mg-Cl、四步Cu-Cl、S-I和HyS。研究意义在于首次对中国五种STC循环开展生命周期环境与经济可持续性评估，首次评估三、四步Mg-Cl的STC技术，识别STP系统规模为环境和成本关键驱动因素，考虑氧气共产品，并比较STC、水电解和传统制氢路线。

关键技术方法不超过250字：研究人员采用ISO 14040/14044框架开展LCA，使用LCA for Experts（原GaBi）建模，以ReCiPe 2016 midpoint（H）方法量化18类环境影响；采用生命周期成本（life cycle costing, LCC）及基于LCC的平准化制氢成本（levelised cost of hydrogen, LCOH）评估经济可持续性。系统包括STP和制氢厂，年产H₂ 20,000 t，功能单位为生产1吨H₂，摇篮到坟墓，寿命30年，PEM电解槽寿命10年并更换两次，年运行8000 h。选择浙江、陕西、吉林、宁夏和内蒙古，因太阳能辐照和绿氢目标差异。敏感性分析涵盖寿命、STP容量因子、太阳能到电效率、氧气利用、末端处理、运维成本、集热场成本和贴现率。无样本队列，数据来自文献和Ecoinvent。

3.1 环境可持续性评估
3.1.1 不同太阳能热化学循环制氢：通过LCA比较五循环在五省影响，内蒙古辐照最高、影响最低，浙江影响最高。HyS和四步Cu-Cl在18类影响中最低，其次为三步Mg-Cl和S-I，四步Mg-Cl最高。差异主要受太阳能到氢气效率（solar-to-hydrogen, STH）决定，也受热与电需求平衡及STP规模影响。STP是多数影响主要贡献者，制氢厂仅贡献0.28–12%。
3.1.1.1 气候变化：HyS为910–1178 kg CO₂ eq./t H₂，四步Cu-Cl为912–1188 kg CO₂ eq./t H₂，三步Mg-Cl为1064–1361 kg CO₂ eq./t H₂，S-I为1116–1451 kg CO₂ eq./t H₂，四步Mg-Cl最高为1452–1894 kg CO₂ eq./t H₂。STP贡献73–80%，其中集热场40–43%、接收器16–17%、动力块8–14%。
3.1.1.2 水和土壤排放：STP贡献富营养化41–56%、酸化78–86%。集热场对富营养化贡献20–31%，接收器对酸化贡献48–51%。回收使富营养化降低22–30%、酸化降低10–14%。
3.1.1.3 空气排放：STP贡献光化学臭氧72–79%、颗粒物77–83%、臭氧耗竭63–71%、电离辐射84–92%。集热场贡献光化学臭氧、臭氧耗竭和电离辐射26–44%；接收器贡献颗粒物39–41%。
3.1.1.4 资源：STP贡献化石耗竭和土地占用74–99%、金属耗竭84–92%、淡水消耗56–69%。集热场约占化石耗竭一半、土地占用83%；回收抵消金属耗竭27–28%。
3.1.1.5 毒性：STP贡献非癌症毒性和生态毒性46–77%、癌症毒性31–32%。制氢厂建设贡献非癌症毒性22–33%及全部生态毒性。回收降低非癌症和陆地生态毒性22–33%，但增加淡水与海洋生态毒性1–19%、癌症毒性185–188%。
3.1.2 与文献比较：仅气候变化可比较。本研究四步Cu-Cl和S-I高于文献，HyS相当。差异主要因STP容量因子：本研究60%，文献为80%或100%。容量因子提高至80%时，三循环气候变化降低18.8–19.6%，更接近文献。
3.1.3 与传统和电解水制氢比较：与煤气化无CCS比，四步Cu-Cl、HyS和三步Mg-Cl在13/18类更低，四步Mg-Cl和S-I在11类更低；气候变化低93–95%。与SMR无CCS比，九类更低，但土地占用高29–49倍。与SMR带CCS比，气候低64–78%。与太阳能光伏-PEM水电解比，STC多数类别更低，但金属耗竭和癌症人体毒性例外。
3.1.4 敏感性分析：以内蒙古为例，四步Mg-Cl最敏感。土地占用、癌症毒性和金属耗竭最敏感。氧气共产品使12/18类净负，但土地占用和癌症毒性仍高于传统路线。末端处理cut-off法比avoided-burden法影响更高，多数类别增28–66%。

3.2 经济可持续性评估
3.2.1 制氢生命周期成本：四步Cu-Cl和HyS的LCC最低，分别为3278–4821 M$和3319–4812 M$；三步Mg-Cl高10–12%，S-I高37–45%，四步Mg-Cl最差高67–70%。STP占总LCC 84–96%，运维占24–27%，集热场占19–21%。
3.2.2 平准化制氢成本及与文献比较：四步Cu-Cl和HyS的LCOH最低，为5464–8034 $/t；三步Mg-Cl为6095–8859 $/t，S-I为7913–11034 $/t，四步Mg-Cl最高为9281–13392 $/t。研究值落在文献范围内，但文献因年份、贴现率和方法不同仅作指示性基准。
3.2.3 与传统和电解水制氢比较：STC的LCOH高于传统制氢。最低LCOH仍比SMR带CCS的2380 $/t高2.3倍。与太阳能光伏-PEM水电解比，STC的LCOH高于并网和独立光伏系统，但离网光伏加电池成本约12000 $/t，落入STC较高范围。
3.2.4 敏感性分析：LCOH最敏感于太阳能到电效率，其次为容量因子、寿命、运维和集热场成本。太阳能到电效率从20%增至35%可使LCOH降低32–38%。同时优化所有参数时，四步Cu-Cl、HyS和三步Mg-Cl可与传统氢竞争。氧气销售可降低LCOH 2208 $/t。贴现率升高会降低现值LCOH，但循环排序不变。
3.3 整体性能排序和发展优先级：HyS环境第1、LCOH第2，四步Cu-Cl环境第2、LCOH第1，均列为高优先级；三步Mg-Cl和S-I均为中等；四步Mg-Cl为低至中等。HyS和四步Cu-Cl是最有前景的STC路径。

4 讨论与结论翻译
本研究比较了中国条件下五种STC制氢路径的生命周期环境和经济可持续性。HyS和四步Cu-Cl在18类影响和所研究地区中最低，其次为三步Mg-Cl、S-I和四步Mg-Cl。差异主要由STH效率和STP规模驱动。集热场是多数类别主要贡献者，气候变化贡献40–43%。系统运行对水富营养化和水消耗贡献33–51%。STP组件回收显著影响癌症毒性，贡献62–64%；接收器是陆地酸化与生态毒性、颗粒物和金属耗竭的主要贡献者。经济上，四步Cu-Cl和HyS的LCOH最低，分别为5464–8034和5532–8021 $/t；四步Mg-Cl最贵，为9281–13392 $/t。STP运维成本贡献24–27%，集热场贡献19–21%。STC氢竞争力受STP资本与运维成本强烈影响，而非仅由制氢厂决定。与传统氢比，所有循环气候变化影响低64–95%，多数其他类别也较低。氧气共产品信用可使比SMR无CCS最多16类影响更低，但癌症毒性和土地占用分别高2–4倍和18–34倍。与煤气化无CCS比，14类降低，但土地占用、金属耗竭和人体毒性高2–4倍。STC氢LCOH仍高于传统路线，最低值仍比最高传统路线高2.3倍。STC技术通常比太阳能光伏-PEM水电解环境更优，但当前LCOH更高，因工业化有限。提高STP效率、容量因子和寿命，降低运维与集热场成本，可使STC氢更具竞争力；氧气收入还可使四步Cu-Cl、HyS和三步Mg-Cl实现净负LCOH。未来研发应优先HyS和四步Cu-Cl，改善定日镜光学效率，降低集热场钢和玻璃需求，提高接收器效率与寿命，优化集热场布局，并开展试点验证。政策应优先高太阳能辐照地区，并探索氧气共产品利用。