探索从塑料垃圾中生产氢气以用于香港的城市交通，并减轻其对环境的影响：整合动态物质流分析和生命周期评估

《Journal of Environmental Management》：Exploring hydrogen production from plastic waste for urban transportation in Hong Kong and its environmental impact mitigation: integrating dynamic material flow analysis and life cycle assessment

　　• 香港累积的塑料废物预计到2050年将达到2760万吨。
• 通过废物聚合物气化产生的氢气可以将2050年的运输排放量减少78.2%。
• 本研究证实了将塑料转化为氢气在城市规模交通规划中的可行性。

引言
2023年，香港的交通部门是领土碳排放的第二大来源，占总量的20.9%，相当于650万吨二氧化碳当量（国际能源署，2026年）。为了应对这一挑战，香港设定了在2050年前实现碳中和的目标，并将交通部门确定为脱碳的重点领域，具体措施是到2035年逐步淘汰新的化石燃料动力私人汽车注册（香港政府，2021a；香港政府，2021b）。虽然电气化仍然是主要策略，但氢气已成为运输脱碳的一个有前景的替代方案（香港特别行政区政府能源处，2021年）。交通部门在香港的氢能发展战略中占据重要地位（EARTH，2025年；香港特别行政区政府能源处，2024年）。除了电动公交和出租车外，政府还表示对氢燃料电池车辆（HFCVs）持开放态度，并将继续通过氢燃料电池重型车辆试验资助计划提供补贴（香港政府，2024a；香港政府，2024b；香港政府，2024c）。这反映了加快淘汰内燃机车辆（ICEVs）并采用基于氢的解决方案的迫切需要（Speizer等人，2024年），使得氢能在交通领域的应用成为实现香港碳中和的重要一步（国际可再生能源机构，2025年）。
氢能在支持全球低碳出行和可持续交通系统方面发挥着越来越重要的作用（Luo等人，2025年），而HFCVs被认为是减少交通排放的有希望的解决方案（政府间气候变化专门委员会，2022年），尤其是在重型车辆和长途应用方面（Chen等人，2026a；Günaydin等人，2025年；Mac Dowell等人，2021年）。然而，HFCVs的广泛应用受到氢气生产环境成本的限制。目前，全球氢气供应的90%以上来自主要是通过蒸汽甲烷重整（SMR）和煤气化从化石燃料中生产的灰色氢气，这些过程每年产生约8.3亿吨温室气体排放（Surawski等人，2026年；Terlouw等人，2025年；Uddin等人，2025年）。尽管已经探索了可再生助力水电解、生物质气化和从化石基过程中捕获二氧化碳等脱碳途径，但这些低碳氢气生产方法仍然会导致相当大的生命周期环境负担（Chu等人，2025年）。在这种情况下，废物塑料作为一种可行的、增值的资源用于氢气生产正在出现（Afzal等人，2023年；Lan和Yao，2022年；Salah等人，2023年），这在解决塑料废物管理问题的同时有助于实现碳中和目标（Chen等人，2024年）。
然而，由于香港土地资源有限以及用于大规模生产氢的可再生资源不足，氢气生产面临重大限制（Civic Exchange，2022年）。此外，该地区对进口能源的严重依赖使得大规模低碳氢气生产既困难又可能具有较高的碳强度，如果采用传统的化石基途径的话。尽管存在这些挑战，香港已经采取了初步措施来发展本地氢气供应链。2024年，政府推出了氢燃料电池重型车辆的资助计划，并在元朗坳头建立了该市首个公共氢气加注站（香港政府，2025年）。同年，香港煤气公司和Veolia开始规划该市的第一个绿色氢项目，包括一个生产厂、分配设施和一个加注站（Veolia，2024年）。在这个项目中， landfill衍生的生物气将通过蒸汽甲烷重整转化为绿色氢气，产量为每天330公斤，足以驱动7-8辆氢动力公交车（Veolia，2024年）。然而，绿色氢气的经济可行性仍然是一个重要障碍，因为据估计，只有当其价格降至1.1-1.3美元/公斤时，进口绿色氢气才可能成为天然气的可行替代品（Peng等人，2026年）。
香港还面临日益严重的塑料废物问题。2024年，塑料占战略垃圾填埋场处理的市政固体废物（MSW）的约18%（香港特别行政区政府能源处，2025年）。尽管产生的塑料废物量巨大，但其回收率一直很低，给垃圾填埋场容量和城市废物管理基础设施带来了越来越大的环境压力（Lee和Sauerwein，2025年）。因此，香港面临两个紧迫的环境挑战：首先是需要低碳氢来支持交通脱碳，其次是需要有效的解决方案来处理城市中不断增加的塑料废物。为了应对这些双重挑战，塑料转化为氢的技术提供了一条同时解决塑料废物管理和氢能生产的可行路径。先前的研究从多个角度探讨了净零交通系统对香港脱碳和环境影响缓解的量化贡献。在车辆层面，据估计电动出租车比标准车队减少了50%的碳排放，而绿色氢动力出租车则减少了71-92%的碳排放（Mingolla和Lu，2021年）。在部门层面，在“一切照旧”（BAU）情景下，预计2020年至2050年间香港交通部门的累计温室气体排放量为6160万吨二氧化碳当量，而电池电动汽车情景下为4140万吨二氧化碳当量，氢能情景下为4420万吨二氧化碳当量（Civic Exchange，2022年）。
在政策层面，加速私人汽车的电气化通过控制私人汽车拥有量的增长、减少出行需求和提高车辆能源效率，对减少二氧化碳排放贡献最大（Huang等人，2024年）。然而，这些不同的研究方向有一个共同的局限性：它们缺乏一个系统性的框架来连接废物和交通部门。尽管对基于氢的交通和塑料废物循环经济（CE）策略的兴趣日益增长，但将塑料废物转化为氢的潜力及其对城市交通系统的环境效益仍尚未得到充分探索，特别是在城市规模上。以前的研究往往分别处理这些问题，要么专注于减少车辆排放，要么单独管理废物。因此，尚未系统性地研究将这两个领域联系起来的潜力，特别是利用城市塑料废物作为交通的本地氢源。在像香港这样的高密度大都市地区，了解塑料衍生氢的可行性对于未来的能源规划和综合废物管理策略至关重要。基于这篇文献综述，我们确定了三个阻碍全面系统化 approach to decarbonizing urban transportation 的关键研究空白：
（1）缺乏对氢能源作为替代交通燃料在香港的环境影响评估。现有的关于香港交通脱碳的研究主要集中在电动汽车（EVs）和减少出行需求上。氢能源的具体作用、未来需求以及作为不同类型车辆的零排放燃料的减排潜力在城市层面仍基本未被探索。
（2）废物管理和城市能源规划之间的脱节。虽然先前的研究探讨了如何通过减少垃圾填埋场气体或提高回收率来减少废物部门内部的排放，但很少将塑料废物视为有价值的能源资源。没有明确的框架来追踪塑料废物的物质流动并评估将其转化为其他部门可持续氢供应的可行性。
（3）缺乏一个综合框架来量化香港废物和交通部门的碳排放缓解途径。以前的研究缺乏一个全面的生命周期方法来评估将废物管理与交通需求结合起来如何减少城市排放。由于这两个部门很少一起研究，因此创建本地塑料到氢供应链的城市交通的总体碳减排效益仍然不清楚且未量化。
为了应对这些空白，本研究提出了以下研究问题：
（i）香港的塑料废物具有多大的氢生产潜力？
（ii）采用塑料到氢的策略在缓解香港交通部门的环境影响方面具有多大潜力？
这些问题涉及香港未来使用塑料衍生氢实现交通部门脱碳的能源计划的科学可行性。
为了回答这些研究问题，本研究提出了一个综合性框架，将两个关键的跨部门维度联系起来：城市塑料废物的动态物质流动作为能源原料，以及未来交通部门对氢的需求。通过将这些方面联系起来，该框架能够对像香港这样的高密度大都市地区的塑料到氢部署策略及其环境缓解潜力进行全面评估。首先，为了评估替代能源原料的可用性，本研究开发了一个动态物质流动分析（dMFA），重点分析了2000年至2023年的历史塑料生产和未来的废物生成情况，纳入了共享社会经济路径（SSPs）下的长期社会经济轨迹。该框架量化了来自累积塑料废物的氢生产潜力，为后续的循环废物管理和能源规划提供了坚实的基础。其次，在量化塑料物质流动和城市出行脱碳的具体需求的基础上，我们提出了一种综合需求预测和生命周期评估（LCA）方法。这种方法首次对香港交通部门的氢需求进行了全面预测。该研究进一步评估了各种氢生产技术的环境影响，包括传统的化石基方法和新型塑料废物到氢的途径，从而确定了这种替代燃料的技术和环境可行性。第三，通过废物管理和城市能源网络的跨部门协调，本研究考察了塑料衍生氢在向低碳交通过渡中的作用。通过综合情景分析，该研究预测了香港交通部门的系统范围碳减排潜力，考虑了不同的氢生产途径和未来零废物城市发展情景，直至2050年。这项研究的目的是不是用塑料废物到氢的技术取代现有的回收实践，而是探索塑料废物到氢作为一种额外的废物管理选项，特别是对于那些难以通过现有技术回收的塑料废物。
本研究为交通领域的可持续废物管理和能源转型做出了几项关键贡献。首先，它开发了香港塑料废物的首个dMFA，量化了历史塑料流量并预测了在SSPs下的未来废物生成情况，从而估计了氢生产潜力。其次，该研究提供了该市交通部门氢需求的第一个预测。第三，通过整合塑料废物dMFA、氢需求预测和氢生产途径的LCA，本文评估了塑料到氢在支持香港低碳交通和零废物城市发展方面的潜力。其经济可行性取决于投入成本，包括塑料废物的收集、预处理、能源消耗等。结论：本研究开发了一个创新的“废弃物转化为轮子”（Waste-to-Wheel）框架，以评估塑料废物转化为氢气的技术如何减轻香港城市交通对环境的影响。本研究采用dMFA方法估算香港历史和未来的塑料废物产生量，并结合LCA方法系统评估包括SMR、煤气化、光伏电解、抛物面槽式电解、wPG以及wPG_CCS在内的氢气生产途径的环境性能。

**作者贡献声明：**
陈培秀：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、项目管理、方法论、调研、资金申请、数据分析、概念化。
韩浩：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。
马文婷：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金申请。
张莉：撰写 – 审稿与编辑、方法论。
李林燕：撰写 – 审稿与编辑、方法论。
王向阳：撰写 – 审稿与编辑。

**利益冲突声明：**
作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本文工作的个人关系。

**致谢：**
本研究得到了香港理工大学新入职员工创业基金（授权号P0064482）、国家自然科学基金（授权号：72404068；72674080）、广东省自然科学基金（2026A1515012494）、广东省哲学与社会科学规划项目（授权号GD26YGG24）、中国博士后科学基金（2025M771281）以及广东省科技发展项目的资助。

**作者名单：**
陈培秀 | 韩浩 | 马文婷 | 张莉 | 李林燕 | 王向阳