可再生能源驱动的绿氢生产：技术、技术经济学、生命周期评估及数字化路径综合综述

《Energy》：Renewable energy-driven green hydrogen production: A comprehensive review of technologies, techno-economics, life cycle assessment and digitalization pathways

　　•将氢气生产、技术经济分析、生命周期评估、数字化和政策整合在一个框架中。
•电解槽选择与可再生能源耦合共同决定氢气的成本和效率。
•揭示了生命周期评估/技术经济分析方法的不一致性掩盖了研究间技术比较的真实情况。
•人工智能、数字孪生和认证计划是可扩展部署的关键推动因素。

引言

国家和多边净零承诺已重塑了全球能源系统的投资优先级，尤其关注难以直接电气化的行业。重工业、远洋航运、航空和高温工艺热持续依赖高能量密度的化学燃料，而低碳氢被广泛认为是能够在不大幅增加温室气体排放的情况下满足这些需求的少数可扩展方案之一。这一角色已在基础技术经济文献中得到确立：Parra等人[1]回顾了深度脱碳的氢能系统，确定了电源转燃气、电源转电源和加注是可能证明早期投资合理性的战略角色，并得出结论，最小化电解的平准化成本（而非任何单一的下游应用）将是决定哪个角色首先具备商业可行性的主导杠杆——这预示着第6节中的技术经济敏感性分析。Glenk和Reichelstein[2]从投资角度回应了同一问题，分析了将可再生电力转化为氢气的经济性。Abdin等人[3]随后绘制了从生产、储存、运输到终端使用的完整氢价值链，并指出当时新兴文献中零散且不一致的成本核算方法学阻碍了在可比基础上比较氢路径——这一观察在当前文献中仅得到部分解决。

氢气的实际重要性源于其区别于其他可再生能源衍生选项的双重功能：它同时是一种能源载体，能够以直接电气化难以复现的方式跨时间和空间储存和输送可再生电力；也是一种已在工业规模上大量消耗的化学原料，主要用于氨合成、石油炼制和甲醇生产[3]。这种原料需求独立于氢气在更广泛能源转型中的预期角色——无论气候政策如何，它都必须得到满足——而如今几乎完全由未减排的化石衍生氢满足。因此，用低碳氢替代这一现有的、预先承诺的需求，代表了一种不同于氢气在交通或电力领域较新且更具争议性的预期角色的脱碳机会，因为它需要转换现有的生产路线，而不是从零开始建设新的终端使用基础设施。正是这种组合——一个大型的、预先存在的、目前依赖化石的原料市场，加上在难以电气化部门中真实但更具选择性的角色——支撑了氢气在能源转型文献中的重要性，而非其对直接电气化、风能或太阳能的任何普遍优越性；本综述未在文献中找到支持此类主张的依据，也不作此主张。然而，氢气能在多大程度上发挥其预期作用，在很大程度上取决于其生产方式。

这种对生产方式的依赖，对应的是其资源基础，而资源基础的实际规模很少是约束条件。图1总结了技术上可实现的绿色氢生产潜力的区域分布，全球每年估计约9486 EJ，远超预计总能源需求，但在世界各地区分布极不均匀[4]。撒哈拉以南非洲（每年2715 EJ，占全球总量的28.6%）和中东及北非（每年2023 EJ，占21.3%）合计拥有接近一半的估计潜力，北美（13.9%）、大洋洲（13.4%）和南美（11.7%）再提供39%，亚洲其余地区再提供7.2%。相比之下，历史上高需求的欧洲（0.9%）、东北亚（2.2%）和东南亚（0.7%）合计不到全球总量的4%。由于低成本生产的地理分布在很大程度上与需求的地理分布脱节，绿色氢的核心问题不再是是否存在足够的可再生资源，而是哪些生产路线、以何种成本、通过何种交付方式能够将这种潜力转化为可用的供应——这一不匹配所产生的资源测绘、贸易和出口市场动态将在后文展开，而决定该供应气候价值的路线分类将在下节介绍。

表1总结了与2023年至2026年间发表的五篇近期综述的结构化比较。Zainal等人[5]对氢的颜色分类和电解槽技术成熟度进行了全面论述，但仅部分涉及技术经济和生命周期维度，且完全未涉及数字化。Delpisheh等人[6]对涵盖生产、储存、运输和终端使用分配的氢供应链进行了数据驱动的评估，整合了技术、经济和政策视角，但未扩展到生命周期评估或数字孪生和人工智能应用。Patel等人[7]对氢路径进行了严格的生命周期评估，但未涉及电解槽技术比较、技术经济建模、数字化或政策。Wei, X.等人[8]将生命周期评估扩展到碱性、质子交换膜、阴离子交换膜和固体氧化物电解的直接比较，涵盖制造和运营阶段，但同样未纳入技术经济建模、数字化或专门的政策分析。bin Jumah[9]提供了广泛的生产和应用概述，并附有部分经济性论述，但未纳入生命周期评估、数字孪生应用或专门的政策分析。所识别的综述均未在单一框架内联合涵盖电解槽技术、技术经济分析、生命周期评估、人工智能/数字孪生应用和政策——本综述旨在弥合这一整合缺口。进一步的最新综合研究呈现出相同的单领域或双领域模式：Mansilha等人[10]和Segovia-Hernández等人[11]涉及生产技术和部署障碍，Singh等人[12]、Nayebossadri等人[13]和Tuluhong等人[14]调查价值链准备度，而Cho等人[15]和Hassan等人[16]将范围限定于生命周期评估。

将这五个领域分开处理不仅是覆盖不全的问题，还会产生特定的盲点。铱的可用性是一个决定电解槽市场份额从而决定关键矿产政策设计的材料约束。额外性和时间匹配规则是同时设定实测生命周期排放和可实现生产成本的政策工具。土地和水资源可用性在资源禀赋测绘所识别的低成本地区恰好限制了出口潜力。这些决定因素中的每一个对任何单领域综述都是不可见的，因为它们是由领域间的相互作用构成的，而非位于单一领域内。因此，本综述的编排旨在直接连接这些领域，将电池级电化学与系统级生命周期评估以及同时治理二者的政策工具连接起来。其组织问题是宣布产能与交付产能之间的差距：为什么一个各组成部分已接近成熟的技术持续未达到其自身项目管线的交付预期，以及哪些跨领域耦合（而非哪些单领域限制）解释了这一缺口。

本文其余部分安排如下：第2节探讨用于氢气生产的可再生能源资源，包括太阳能、风能、生物质能及其他替代来源。第3节详述成熟的水电解技术，第4节研究新兴和替代生产路径。第5节涉及系统集成和设计考量。经济与环境维度分别在第6节通过技术经济分析和第7节通过生命周期评估进行评价。第8节探讨氢能领域的数字化、人工智能和数字孪生应用。政策格局、监管框架和市场发展在第9节讨论。第10节重点阐述当前制约规模化扩展的技术、经济和基础设施障碍。第11节对相关文献进行文献计量分析。最后，第12节总结主要结论。

本研究旨在建立一个综合框架，从技术、经济、环境和政策维度评估可再生能源驱动的绿色氢。该研究回顾了涵盖可再生资源评估、电解、系统集成、技术经济性能、生命周期影响、数字化、政策机制和工业应用的最新文献。与分别处理这些领域的现有综述不同，本研究将它们结合起来，为氢能部署提供统一视角。分析考察了氢气的双重功能：作为氨、甲醇和炼油工业原料，以及作为可再生能源储存和运输的能源载体。对电解槽效率、耐久性、辅助系统成本、生产经济性、排放、水耗、安全性、基础设施和市场准备度等关键因素进行了比较评估。新颖性在于将这些维度连接在单一框架内以识别优先应用。研究结果强调工业原料、长时储存、重型运输和选定的高温工艺，在这些领域氢气可以补充直接电气化。

尽管宣布的项目产能增长迅速，但宣布的绿色氢产能与达到最终投资决策或商业运营的产能之间存在持续差距，反映了技术成本、电价敞口、审批时限和承购不确定性的复合影响[17]，[18]。弥合这一差距需要涵盖整个价值链而非孤立技术环节的处理。因此，本综述将可再生资源表征、电解槽和新兴生产技术、系统集成与控制、储存与运输、技术经济分析、生命周期评估、数字化与人工智能应用、政策与监管框架以及工业案例研究整合在单一综合体中。这一综合体的概念架构如图2所示，其中绿色氢价值链不仅是线性的，而且是高度互联的。该框架突出了现有实施障碍的多层次性，尤其是包括可再生资源、电解和终端使用应用在内的物理基础设施，以及技术经济评估、数字化和监管政策等横切层。该映射是综述前的综合分析，为共同而非分别评估关键跨领域约束提供分析基础。

氢生产路线通常使用颜色编码分类法描述，该分类法指示所采用的原料和工艺路径。通过可再生电力驱动的电解水产生的绿氢，与灰氢（未减排的蒸汽甲烷重整）、蓝氢（蒸汽甲烷重整结合碳捕集与封存）以及包括蓝绿氢（甲烷热解）和粉氢（核电驱动的电解）在内的一系列中间类别相区分[5]。这一颜色框架尽管因过度简化生命周期碳强度而受到批评，但在政策和产业论述中仍是主导的简略表达，并在本综述中采用以与更广泛的文献保持一致[5]。现行分类法（颜色编码）在政策讨论中广泛存在，但显著过度简化了氢生产的环境。图3将该框架与相同氢分子的温室气体强度的定性生命周期连续谱进行比较，其中生产氢分子的能源和工艺密集型方法导致截然不同的气候足迹。这种视觉对齐反映了近期关于氢生命周期的文献的核心观点：氢载体本身的气候性能不是固有特性，而完全取决于供应链。

图3完整展示了这一分类法，将十二个命名路径分为五个生产家族：未减排化石基（灰氢和黑/棕氢）、带碳管理的化石基（蓝氢、蓝绿氢和青氢）、核能驱动（粉氢、紫氢和红氢）、可再生电解（绿氢和黄氢）以及天然或地质（白氢和橙氢）。每条路径根据其原料和能源来源区分，而非氢分子本身的任何特性，所总结的每条路径的优缺点表明，即使在单一家族内，排放、成本和技术成熟度也差异很大。化石基路线主导当前生产，但除非碳被捕集，否则会排放二氧化碳，而核能和地质路线以特定地点的资源、基础设施或成熟度约束为代价替代化石碳。可再生电解（绿）氢的不同之处在于其气候性能仅受驱动电解的电力碳强度限制，这是其成为本综述焦点的主要原因。因此，该分类法最好理解为生产路线的简略表达，而非环境性能的固定排序，这一区别在第9节的生命周期评估中进行了定量检验。

章节摘要

太阳能光伏驱动系统

光伏驱动的电解仍是最具商业部署规模的可再生绿色氢路径，这归功于光伏组件的模块化和持续成本下降。

Ghosh [19] 指出，光伏-氢气（PV-H?）系统的报告往返效率已从早期演示中的约8-12%提升至近期安装项目中的18-28%，而氢气的平准化成本则随着电池片和电解槽成本的下降，从估计的15-25美元/千克降至约4-8美元/千克。水电解技术：要比较不同架构的电解槽，首先必须确定所有电解槽系统所依据的共同电化学反应 [36]。图9（a）概述了这一共同基础，将水电解过程与本文各节考察的四种主要电解槽类型的工作窗口和报告效率并列呈现。该基本过程在图9（b）中单独展示，其中展示了基本的化学还原和氧化反应。新兴及替代生产路径：本节考察的五种生产路径在图15中进行了比较，图中将每种路径报告的性能与其主要限制因素并列呈现。随后在各子节中逐一论述：4.1节讨论光电化学和光催化水分解，其中证实的限制因素并非固有效率，而是实验室到户外的规模差距以及光腐蚀和大面积器件稳定性问题 [65]、[66]；生物学……可再生-电解槽耦合架构：可再生到电解槽的耦合遵循直接耦合或间接耦合架构。直接耦合通过最少的功率调节硬件将可再生发电机连接到电解槽，以降低成本和系统复杂度，但在次优辐照或风力条件下，由于电解槽的电流-电压特性未与发电机的最大功率点进行主动匹配，会导致太阳能到氢气的效率损失。间接耦合则在中间插入直流-直流转换器……技术经济分析（TEA）：本节所审查的技术经济评估结构如图21所示。此类评估基于两个不同的输入清单：一个技术分析确定氢气产量、能量效率、能耗、产能和设备尺寸；另一个经济分析确定资本成本、运营成本、原料成本、电力成本和维护费用。两者汇聚于技术经济评估本身，后者归纳为三项报告指标……生命周期评估（LCA）及环境影响：生命周期评估（LCA）是一种标准化方法，根据ISO 14040和ISO 14044制定，用于量化产品或过程在整个生命周期中的环境负担，从原材料开采和制造，到运行，直至报废，按功能单位报告，通常为每生产1千克氢气。LCA对评估绿氢至关重要，因为电解在生产点不产生直接排放，因此绿氢的环境特征取决于……数字化、人工智能和数字孪生应用：在此语境下，数字化指利用运行数据和软件模型——即机器学习、数字孪生和分布式账本——来监控、预测和控制氢气生产，而非依赖固定规则和定期检查。这之所以重要，是因为电解槽在可变可再生输入下运行，其退化方式难以直接观测，且必须记录其碳强度才能被认定为绿氢，这些都属于数据问题而非政策问题。政策、监管框架和市场发展：绿氢目前的生产成本高于其拟取代的未经减排的化石衍生氢，且一旦生产后，绿氢在物理上与后者无法区分。这两项差距无法仅靠技术优势弥合，因此政策决定了市场是否存在：生产和资本补贴缩小成本差异，碳定价提高既有路线的成本，而认证则使绿氢与灰氢分子之间的差异对买家可见并……技术方面：效率、耐久性和材料：制约绿氢规模化扩展的技术壁垒在本综述的第3节水电解技术、第6节技术经济分析（TEA）和第10节挑战与壁垒中进行了详细论述，此处仅作综合归纳而非冗长重复：电解槽在动态、可再生跟踪运行条件下的退化（第3.1-3.4节），以及数据稀缺制约了基于机器学习的性能和维护模型的普适性（第10.1节），这两者均代表……文献计量分析：为了将后续的技术综述置于该领域发展的背景之中，我们使用VOSviewer软件对氢气生产文献进行了文献计量分析，既考察了该领域关键词共现结构，也考察了氢气相关文献生产的地理分布。该分析有两个目的：首先，确定文献自然形成的主题聚类……结论：本综述对绿氢在主要技术、经济、环境、数字、政策和应用维度进行了综合评估。综述并非独立评估这些方面，而是展示了氢价值链某一环节的发展如何影响其他环节的结果。这一综合视角既突出了绿氢带来的机遇，也指出了实现大规模发展所必须满足的条件……CRediT作者贡献声明：Jayant Kumar：概念设计、形式分析、调查研究、项目管理、原始草稿撰写、方法论。Rupesh Baroniya：概念设计、形式分析、方法论、原始草稿撰写。Tikendra Nath Verma：指导、原始草稿撰写。Sandip Mandal：调查研究、资源获取、验证、方法论。利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。Jayant Kumar|Rupesh Baroniya|Tikendra Nath Verma|Sandip Mandal