热化学生物质转化制氢的技术经济性能与脱碳潜力：系统级视角下的关键制约因素与部署条件

《Processes》：Thermochemical Biomass Conversion for Sustainable Hydrogen Production: A Review of Techno-Economic Performance and Decarbonization Potential

　　

氢气是难减排部门脱碳化的战略性能源载体；然而，当前制氢仍依赖化石燃料，而可再生能源电解制氢的经济性和利用在很大程度上取决于低碳电力的可获得性和变异性。热化学生物质转化提供了一条补充路径，因为生物质可以储存、调度，并可来源于残余物、废弃物和生物质经济流。本研究系统综述了可持续制氢的热化学路径，整合了技术性能、原料适用性、工艺升级、技术经济可行性、生命周期影响和脱碳潜力。遵循基于PRISMA（系统综述与Meta分析优先报告条目）的方法学，111篇核心研究被纳入系统综述，另有26篇综述文章作为支持性文献单独分析。与以往主要以技术和反应器级比较为中心的综述不同，本综合评述特别强调决定生物质制氢可行性的经济和部署条件，包括LCOH（平准化氢气成本）、工厂规模、原料物流、纯化边界和碳管理假设。气化出现在96篇核心研究中，在综述的热化学路径中显示出最强的成熟度证据，包括与下游气体净化、水气变换（WGS）和氢气纯化的中试规模集成运行，尽管数值化的TRL（技术就绪水平）值并未被一致报告。报告的H₂浓度范围约为常规空气/氧气气化的8–16 vol%，蒸汽气化的30–60 vol%。先进的捕集辅助系统达到78–81.1 vol% H₂，中试规模纯化达到98.6 vol%。报告的经济值因指标定义、工厂规模、货币和系统边界的不同而存在显著差异。因此，LCOH、最低售价和制氢成本被视为不同的指标，在可能的情况下保留原始货币和经济基准年，而不是汇总为单一的成本跨研究范围。

1. 引言
全球能源系统仍高度依赖化石燃料，尽管可再生能源技术正在加速部署。新兴经济体工业化、人口增长和交通电气化持续推高能源需求，化石燃料仍占全球主导，能源相关CO₂排放维持在历史高位。氢气是难减排部门深度脱碳的关键能源载体，但当前全球约95–96%制氢依赖蒸汽甲烷重整（SMR）、部分氧化和煤气化等碳密集型路径。SMR虽技术成熟，但产生大量CO₂排放并强化“碳锁定”。此外，化石基氢能通过哈伯-博施法直接影响合成氨生产，将化肥市场与化石燃料市场波动连接，形成系统性脆弱性。

可再生能源电解水制氢，包括碱性水电解（AWE）、质子交换膜电解（PEM）和固体氧化物电解池（SOEC），是重要低碳路径，但其经济性和运行高度依赖可再生电力可用性、储能和电网集成。因此，互补性可再生路径仍然必要。生物质衍生氢能作为化学储存的可再生资源，可支持可调度的制氢，符合循环经济原则，可联产生物炭并实现废弃物资源化。然而，原料异质性、焦油形成、催化剂失活和物流复杂性限制了规模化。已有综述多聚焦技术比较，鲜有系统整合经济、环境、生物质能碳捕集与封存（BECCS）和放大条件。本综述旨在提供系统级评估，重点识别决定可行性的技术和部署条件。

2. 材料与方法
2.1. 研究设计与文献检索
本研究为系统文献综述（SLR），遵循PRISMA 2020框架，采用结构化主题综合而非定量Meta分析，以应对原料、反应器构型和经济假设的异质性。研究围绕六个问题展开：RQ1–RQ3关注热化学路径、原料适用性和H₂产率、浓度、回收率、纯度等性能指标；RQ4关注资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、平准化氢气成本（LCOH）、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）、技术就绪水平（TRL）等技术经济指标；RQ5关注生命周期评估（LCA）和脱碳指标；RQ6关注放大障碍与未来方向。

文献检索在Scopus、Web of Science (WoS)和IEEE Xplore进行，时间跨度为2010年至2026年1月16日。修订阶段于2026年6月补充检索微藻、大型海藻、集成WGS（水气变换）和多联产研究。

2.2. 资格标准与文献筛选
纳入标准：Scopus、WoS或IEEE Xplore收录的英文同行评审文章，涉及热化学生物质转化制氢并至少报告一项技术、技术经济、环境或工艺集成指标。排除生化制氢、无系统级能源分析的催化剂研究、重复记录、灰色文献及社论。筛选遵循PRISMA 2020四阶段流程：识别、筛选、资格评估和纳入。去重后4874条记录经标题摘要筛选排除4740条，134条进入全文评估，最终排除23篇，纳入111篇原始研究。26篇综述文章作为支持性文献单独分析。

2.3. 数据提取与证据综合
采用标准化提取框架收集研究信息、原料特性、转化路径、操作条件、H₂产率和浓度、合成气组成、技术经济指标和环境指标。证据综合包括描述性综合（发表趋势、主导路径）和结构化主题综合（气化、热解/重整、超临界水气化（SCWG）、纯化、技术经济、生命周期等）。由于证据异质性，未采用统一Meta分析。证据置信度依据方法学透明度、验证支持、规模代表性和假设完整性分为高、中、低三级。

3. 结果与讨论
3.1. 所分析文献概述与先前综述的比较
证据库包含111篇核心研究和26篇支持性综述。通过比较发现，已有综述充分比较了气化、热解、重整和SCWG等技术，但研究空白在于将技术性能与经济可行性和部署条件在共同证据框架内整合。

3.2. 研究问题的证据综合
第一层综合围绕六个研究问题，定量证据结合证据置信度解释，对实验验证系统、中试证据和透明TEA/LCA赋予更高权重。数值代表证据库范围而非孤立最优值。

3.3. 热化学生物质制氢路径的技术性能
3.3.1. 热化学转化机理
生物质热化学转化涉及热解、气化、重整和变换反应序列。热解将生物质转化为永久气体、可冷凝蒸气/焦油和固体炭。随后，炭与蒸汽和CO₂的气化，以及甲烷和轻质烃的蒸汽重整形成富H₂和CO合成气。水气变换反应（CO + H₂O ? CO₂ + H₂）是放热反应，提高氢气分数并减少残余CO。温度是关键变量，影响脱挥发分、炭气化、重整、水气变换和氧化反应的相对贡献。反应器构型（如下吸式、流化床、化学链）决定反应物、热和中间产物的相互作用方式。

3.3.2. 定量技术性能与工艺集成
技术性能通过H₂产率、浓度、合成气组成、H₂/CO比、CO转化率、CO₂浓度、焦油含量、WGS性能、变压吸附（PSA）或膜纯化、能效和?效率评估。术语严格区分：H₂产率基于原料或工艺投入；H₂浓度指气流中氢分数；H₂回收率指分离单元中回收比例；H₂纯度指最终产品氢分数；转化效率指定反应物转化程度。

证据显示，气化基配置在111项研究中占主导，但不应视为单一均质路径。空气/氧气气化因氮气稀释和部分氧化，H₂浓度通常约8–16 vol%，低于蒸汽气化的30–60 vol%。WGS和纯化对获得燃料级H₂至关重要：分级WGS使木炭残余物H₂产量增加90.3%，食物垃圾增加54.8%，CO减少93.8%。中试规模证据显示原始发生气14–16 vol% H₂经WGS升至30–33 vol%，再经PSA达98.6 vol%，H₂回收率约95%。

高级吸增强、CaO辅助、化学链和熔盐介导配置通过集成CO₂捕集提高H₂富集，如CeO₂改性CaO/Ca₁₂Al₁₄O₃₃实现81.1 vol% H₂浓度，CaO基化学链达78 vol%和451.11 mL/g。但这些先进路线的真正限制在于能否在真实循环中保持性能，CaO失活、吸附剂烧结、氧载体磨损和催化剂中毒仍是主要约束。

SCWG为湿原料（污水污泥、藻类、食物垃圾）提供替代路径，避免干燥惩罚，但面临腐蚀、盐沉积、催化剂回收和高压运行挑战。对于湿原料，SCWG–WGS集成系统应作为完整工艺链评估，包括原料制备、SCWG、WGS、CO₂分离和PSA/膜纯化。微藻等高水分原料因高挥发分和碳水化合物/脂质含量可支持快速转化，但高氮、灰分和矿物含量增加干燥和净化需求。废弃物衍生原料方面，等离子体气化处理难处理有机废物达347.04 g H₂/kg干废弃物。生物油路线（如玉米废弃物两级快速热解催化蒸汽重整达58.8% H₂产率，稳定运行170 h）在催化剂稳定性和积碳控制下技术可行。

3.4. 生物质制氢的技术经济性能
技术经济综合旨在识别成本竞争力的条件，而非孤立比较技术。经济结果与工厂规模、系统边界、原料物流、碳管理配置和技术就绪度一起解释。由于货币、基准年、规模和边界差异，报告值协调至共同质量基准（货币/kg H₂），未报告基准年标识为NR（未报告），不直接比较。

USD计价研究范围从有利工厂门槛假设下的1.94 USD/kg H₂（大豆秸秆SCWG，不含储运）到偏远社区场景的13.75–19.09 USD/kg H₂。工厂规模是重要驱动因素：农业残留物气化大规模2.8 USD/kg H₂，小规模4.0 USD/kg H₂。CCS和BECCS引入经济-环境权衡：无CCS时LCOH为3.16 GBP/kg H₂，BECCS为4.17–5.40 GBP/kg H₂；在碳信用70 USD/t CO₂假设下，某些CCS案例可降至1.8 USD/kg H₂以下。混合动力系统（如风电-生物质气化双流化床氧-蒸汽构型）显示强技术经济指标，NPV 2500万美元、IRR 156%，但多联产系统复杂化H₂、电力和甲醇之间的分配。

常见敏感性驱动因素包括工厂规模、产能系数、原料价格、资本支出、折现率、氧气和电力需求、压缩和储存成本。集中工厂对资本和融资更敏感，分散系统更受原料物流影响。

3.5. 原料适用性、路径选择、运行挑战与放大障碍
无单一原料 universally 最优。木质纤维素和林业原料是气化基H₂生产最成熟的原料组。农业残留物（稻秸、大豆秸等）因低成本而具有吸引力，但灰分、碱金属、氯和硅增加复杂性。湿原料需要不同路径逻辑，SCWG和水热气化更合适。城市固体废物（MSW）、垃圾衍生燃料（RDF）和废塑料拓宽循环经济应用，但引入重金属、硫、氮和化石碳。混合共进料（生物质-塑料、生物质-煤）提高产率或稳定性，但化石共进料削弱可再生主张，除非明确核算化石碳。

原料灵活性不应解释为可互换性。部署应围绕实测原料属性设计，而非试图使所有资源适应常规干气化。主要放大障碍包括原料异质性、焦油形成、催化剂失活、灰分管理、SCWG腐蚀和等离子体电力需求。由于缺乏协调的焦油-LCOH数据，无法建立焦油浓度与制氢成本的直接关联，这被确定为研究空白。

3.6. 生命周期排放、CCS/BECCS与脱碳性能
生物质衍生氢不应自动归类为绿色或碳中和。环境性能取决于原料来源、系统边界、功能单位、电力结构、辅助能源、CO₂捕集率、运输、永久存储和碳核算。门到门、摇篮到门和摇篮到grave边界差异阻止了碳强度值的直接比较。

报告负碳强度被解释为碳中和证据仅当原始研究在明确边界内评估净生命周期排放并考虑生物源碳处理和CO₂永久存储。负值不是仅从捕集效率推断的。例如，无CCS时报告+4.57 kg CO₂/kg H₂，而BECCS配置为?14.7至?21.3 kg CO₂/kg H₂。生物质-塑料共气化和生物-煤系统说明化石碳核算的关键性：尽管CCS场景实现负全球变暖潜能（GWP），化石衍生碳阻止 universally 绿色分类。

3.7. 综合讨论与未来研究优先方向
111项研究的综合表明，热化学制氢路径不能通过单一标准评估。技术选择应始于可测量原料属性：低水分木质纤维素适合气化，高水分流适合SCWG。技术就绪未统一报告TRL，仅在明确提供时保留数值，其余根据证据规模定性解释。气化因中试规模集成运行（气体净化、WGS、PSA产生98.6 vol% H₂）而显示最强成熟度证据，但未达 universally 部署就绪。

未来优先方向：（1）标准化报告技术表征和运行数据；（2）工艺研究转向完整链，从预处理到碳捕集；（3）多周期测试催化剂和吸附剂；（4）TEA研究协调产能、货币年份、LCOH和敏感性分析；（5）LCA研究使用透明碳核算区分可再生、低碳和碳中和H₂；（6）SCWG、化学链、等离子体气化和BECCS系统的中试示范。

4. 结论
本综述整合111篇原始研究和26篇支持性综述，评估热化学生物质转化可持续制氢。主要贡献在于将反应器级性能与经济、环境和部署条件整合，而非提供另一种技术比较。气化对干木质纤维素显示最强成熟度，湿生物质更适合SCWG，异质废物需要更严格净化。燃料级H₂生产需要包括原料调节、转化、气体净化、WGS/再重整、CO₂管理和最终纯化的完整链。

LCOH、最低售价和制氢成本不是可互换指标，仅在经济基础和系统边界兼容时比较。生物质来源本身不确立绿色氢：生命周期分类取决于电力结构、碳核算、捕集效率和存储假设。没有单一路径 universally 最优。未来研究应优先标准化报告、完整工艺链评估、催化剂多周期测试、长期中试示范和协调的TEA/LCA假设。该领域最重要的贡献将是证明特定集成系统能在商业相关规模上可靠、经济地提供纯化氢，并具有可验证的脱碳性能。