基于过程模拟的固体氧化物电解池（SOEC）绿色制氢全供应链生命周期与?评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Simulation-based life cycle and exergy assessment of a solid oxide electrolyser applied for green hydrogen production

　　

固体氧化物电池（solid oxide cell, SOC）的生产与运行已通过模型进行表征。基于模拟的生命周期评估（life cycle assessment, LCA）显示，每吨H₂的影响为2745至2924 kg CO₂ eq.。?（exergy）评估突出固体氧化物电解池（solid oxide electrolyser cell, SOEC）的高效率（85%?守恒）。与化石替代方案相比，绿色H₂实现＞70%的温室气体（greenhouse gases, GHG）减排。电解系统可实现绿色H₂，但依赖关键材料。

研究背景：绿色氢（H₂）被视为脱碳和降低化石燃料进口依赖的路径。欧洲对非生物源可再生燃料（Renewable Fuel of Non-Biological Origin, RFNBO）提出H₂全生命周期碳足迹限值3.384 kg CO₂ eq./kg H₂（不含电解器制造影响），但固体氧化物电解池（solid oxide electrolyser cell, SOEC）等电解技术依赖关键原材料（critical raw materials, CRMs）和战略原材料（strategic raw materials, SRMs），尤其是稀土氧化物。既有LCA多依赖通用商业背景数据库，难以充分表征冶金供应链和热力学过程，且将模拟与LCA、?评估整合用于SOEC生产与使用的研究有限。因此研究人员对德国10 MW SOEC系统开展从摇篮到门的模拟生命周期评估，覆盖矿物加工至组件制造及绿色H₂使用阶段，并进行?评估以识别不可逆性。结论表明SOEC生产阶段氢处理单元（hydrogen processing unit, HPU）和模块为主，电堆中双极板与电解质（尤其Sc₂O₃稀缺性）重要；计入使用阶段后电力为主要贡献；所有情景碳足迹2745–2924 kg CO₂ eq./t H₂，低于RFNBO阈值；?评估显示85%?守恒，说明SOEC热力学性能较高。意义在于把关键原材料供应链、过程模拟、LCA和?评估结合，为绿色H₂及电解器资源政策提供依据。

方法：建立10 MW SOEC系统模型，功能单位1 t H₂（8–10 bar(g), 60°C, 99.98 wt%），系统寿命20年、每5年更换电堆，参考流11.67 kg SOEC/t H₂；生产与使用均在德国但地点不同。采用HSC Sim 10.5.3.0进行质量/热量平衡与?计算，缺失数据用FactSage 8.3补充，连接openLCA 2.4.1并按环境足迹（Environmental Footprint, EF）3.1计算；背景数据用ecoinvent 3.11 cut-off，进行1000次Monte Carlo模拟。工业数据来自SOEC制造商/工业合作伙伴，文献数据补充；未涉及临床样本队列。

研究结果：
3.1 环境影响评估（SOEC系统）：在EL1基础情景、不含使用阶段时，除酸化（acidification, A）外，HPU和模块（不含电堆）合计为主要贡献者，因其总质量大；电堆虽质量小仍相关，双极板带涂层约80 wt%电堆并因涂层原材料/工序对A贡献高，电解质约60 wt%膜电极组件（membrane electrode assembly, MEA）且Sc₂O₃比碳足迹高（>400，模拟可达约900 kg CO₂ eq./kg Sc₂O₃），显示关键材料供应约束。
3.2 使用阶段环境影响（含系统生产）：基础EL1-ST1中，使用阶段电力为主要贡献，虽为可再生但非无负担；公用工程中化石H₂（用于forming gas和电极稳定）对气候变化（climate change, CC）贡献最高。SOEC系统仅约3% CC和颗粒物形成（particulate matter formation, PM）、约6% A、1%臭氧消耗（ozone depletion, OD）；改变生产电力来源对总体影响很小。与Koj et al.和H?fele et al.比较表明蒸汽和电力来源是关键。
3.3 不同情景CC影响与欧盟监管背景：所有情景CC低于RED II下RFNBO 70%减排阈值，但仅此数值不等于官方认证；若将可再生电力视为无负担，也符合旧版绿色H₂分类；H₂就地消费、未计储运。green H₂降低化石燃料外部依赖，但原材料供应链仍依赖其他国家。
3.4 不确定性分析—Monte Carlo：1000次模拟所得CC均值约2747–2922 kg CO₂ eq./t H₂，95%区间上限仍低于3.384 kg CO₂ eq./kg H₂，表明结果稳健。
3.5 使用阶段?评估：输入蒸汽、公用工程和电力，输出H₂、排放、排氧和热损失；约15%?被破坏，约72%输入?转化为H₂，85%?守恒，归因于SOEC高温运行和钪稳定氧化锆（scandium stabilised zirconia, ScSZ）电解质高导率等；未计SOEC系统?。
3.6 研究局限：模型依赖工业/文献/理论假设，HSC数据库以纯物质为主，固溶体缺失可能低估部分制造电耗；打印电耗未计；原材料模型粒度不一且供应商假设影响结果；O₂按排放处理且未计化石燃料替代信用，属保守处理。

讨论部分总结：研究将模拟LCA与?评估用于SOEC全供应链和制氢阶段，显示系统制造贡献相对低但资源关键性高，使用阶段电力决定CC，蒸汽负担会增加约5% CC；所有情景均满足RFNBO碳阈值上限，但正式合规还需其他条件；局限主要来自数据与热力学数据库，未改变总体结论。

研究结论部分翻译：研究人员分析了德国SOEC及H₂生产的环境影响，包括关键原材料生产。SOEC是脱碳和降低化石燃料依赖的机会，但只有同时考虑其原材料（尤其许多MEA组件材料在许多国家稀缺）时分析才完整。研究新颖性在于将过程模拟用于CRM/SRM生产、SOEC制造和H₂生产，并整合?评估。主要结论：(i) SOEC生产影响主要来自HPU和模块（不含电堆）；(ii) 电堆主要贡献者为带涂层双极板和电解质（因Sc₂O₃稀缺），含稀土废物流回收应成为提高原材料可用性的优先事项；(iii) 计入使用阶段后，使用阶段电力对结果贡献最大（约70% CC影响）；(iv) 基础情景采用无负担蒸汽，另一情景给蒸汽分配负担，蒸汽负担使CC较无负担情景增加约5%；(v) 所有计算情景H₂的CC为2745–2924 kg CO₂ eq./t H₂，低于RFNBO可再生/绿色H₂阈值；(vi) 使用阶段?评估确认SOEC具有高预期热力学性能（85%?守恒），是工业应用有前景的技术。由于软件缺少固溶体热力学数据，SOEC组件?未计算，计划未来开展；生命末期（End-of-Life, EoL）阶段和内部回收流程也将详细研究；结合各工作流可理解SOEC设计（如组件修改）和生产过程（如共烧结减少资源消耗）的改进潜力。