德国天然气与未来氢管道基础设施的生命周期评价：相关材料与安装技术的比较研究

《Results in Engineering》：Life Cycle Assessment of gas and future hydrogen pipeline infrastructure in Germany: a comparative study of relevant materials and installation techniques

　　

气体管道网络是当今能源基础设施的关键组成部分，并预计将在未来的氢气（H₂）供应系统中发挥关键作用。然而，与不同管道材料和安装技术相关的环境影响在生命周期研究中仍未被充分量化。本研究依据ISO 14040和ISO 14044标准应用了生命周期评价（LCA），以评估德国天然气网络中常用管道材料的环境影响，包括焊接和无缝钢材以及聚乙烯材料（PE和PE-X）。研究人员分析了三种安装技术：带砂床的开挖沟槽（OT）安装以及两种非开挖方法——水平定向钻（HDD）和冲击矛（IM）。结果表明，钢管在生产阶段表现出最高的环境负担，尤其是在生产阶段，而聚乙烯管道在技术适用的情况下通常获得较低的全球变暖潜势（GWP）。在施工阶段，特别是在城市区域，由于开挖和地面恢复，开挖沟槽安装的影响远高于非开挖方法。对于小公称直径，逸散性甲烷（CH₄）排放主导了总GWP，而对于中、大直径，生产相关排放占主导地位。管道生产、施工和寿命终结阶段的影响量化结果与输送的气体无关，因此可转移至天然气和氢气基础设施。然而，由于缺乏可靠的氢气泄漏排放因子，使用阶段的评估目前仅限于天然气系统。总体而言，研究结果为可持续网络规划提供了统一依据，并支持向具有降低生命周期影响的氢就绪型天然气基础设施转型。

**论文解读：德国天然气与未来氢管道基础设施的生命周期评价——材料与安装技术的比较研究**

**研究背景**
气候变化已深刻影响生态系统与社会系统。德国《联邦气候保护法》设定了具有约束力的减排目标，能源系统脱碳成为全球气候减缓战略的核心支柱，要求对能源基础设施进行根本性转型。气候中性气体，如绿氢（H₂）和可再生合成甲烷，是可储存且易运输的能源载体，有望逐步替代煤炭、石油和天然气等化石燃料。现有天然气基础设施在实现低成本转型和快速市场启动中发挥关键作用，但基础设施发展不仅需关注技术可行性与安全性，还必须确保整个生命周期的环境可持续性。目前，绿色氢常因源于可再生能源而被视为可持续，但氢经济的可持续性同样依赖于运输和分配基础设施的环境性能。现有生命周期评价（LCA）研究（如Schori和Frischknecht，2012；Xu等，2022；Bussa等，2024）虽建立了通用天然气网络的库存数据集，但缺乏对公称直径（DN）、安装技术和区域条件的详细区分，无法支撑现代气体分配系统的精准决策。因此，研究人员开展本研究，旨在通过统一的LCA框架，量化并比较不同材料、安装技术在德国天然气与未来氢管道网络中的全生命周期环境影响。

**研究内容与结论**
研究人员依据ISO 14040和ISO 14044标准，采用生态存量数据库（ecoinvent v3.11）和开放LCA软件（openLCA v2.5），构建了涵盖生产阶段（PP）、施工阶段（CP）、使用阶段（UP）和寿命终结阶段（EP）的全生命周期模型，分析了48种配置组合，包括不同公称直径（钢DN 25–DN 1,000，聚乙烯DN 32–DN 630）、安装技术（开挖沟槽OT、水平定向钻HDD、冲击矛IM）、安装环境（开放田野OF、城市区域UA）以及相应运行压力（PN 1–PN 100）和维护周期。研究表明：钢材管道在总全球变暖潜势（GWP₁₀₀）中最高，聚乙烯管道在技术适用时表现最优；施工阶段中城市OT安装影响显著高于非开挖方法；使用阶段中小直径管道中逸散甲烷（CH₄）排放主导GWP₁₀₀，中大型直径中生产阶段主导。该研究为可持续网络规划提供了统一量化基础，支持向氢就绪型天然气基础设施转型，论文发表在《Results in Engineering》。

**主要关键技术方法**
研究人员主要采用以下关键技术方法：（1）基于ISO 14040/14044的全生命周期评价（LCA）框架，使用openLCA v2.5软件和ecoinvent v3.11数据库，采用截断系统模型（Cutoff, S）；（2）环境影响评价采用环境足迹3.1（EF 3.1）方法，聚焦气候变化类别（GWP₁₀₀）；（3）通过专家访谈获取德国8家配电系统运营商（DSOs）的安装实践数据，网络长度从400 km至8,000 km，涵盖约630,000个用户连接；（4）根据德国技术标准（DIN 4124、DVGW G 465-1等）和文献数据建模沟槽几何、热力钻孔能量需求（基于Sarireh和Tarawneh，2014的生产率数据）及冲击矛压缩空气能耗；（5）使用Grobe等（2022）基于126次现场测量的甲烷排放因子（14 kg CH₄/(km·a)）建模使用阶段逸散排放。

**研究结果**
**5.1 不同生命周期阶段的影响**
对于最小直径（DN 25和DN 32），使用阶段（UP）是GWP₁₀₀的主要贡献者，主要由运行期间逸散甲烷排放驱动。生产阶段（PP）对聚乙烯管道影响低，但钢管因较高材料质量已有显著贡献。施工阶段（CP）受安装地点强烈影响，城市道路安装排放远高于开放田野。对于小至中等直径（DN 100和DN 125），PP影响显著增加，CP仍敏感于安装地点，UP继续占重要比重。中等直径（DN 300和DN 400）中，PP成为主导，UP相对贡献下降，CP在道路安装中仍相关但总体影响较小。大直径（DN 500至DN 1,000）中，PP完全主导GWP₁₀₀，CP和UP成为次要，压力等级和壁厚决定材料质量进而支配总影响。所有直径中，EP对总GWP₁₀₀贡献极小。

**5.2 管道材料的影响**
PP排放随直径强烈增加。小直径（DN 25–32）中聚乙烯管道PP排放低于1 t CO₂-eq/km，无缝钢约7 t，焊接钢约12 t。小至中直径（DN 100–125）中聚乙烯约11 t，交联聚乙烯（PE-X）约12 t，无缝钢31 t，焊接钢43 t，钢管约为聚乙烯的3–4倍。中等直径（DN 300–500）中聚乙烯107 t，无缝钢153 t，焊接钢212 t，绝对差值超100 t。大直径（DN 500–630）中聚乙烯超240 t，无缝钢267 t，焊接钢330 t。PE-X略高于PE，焊接钢管最高，PE是最环境友好的选项，但受限于压力等级和直径。

**5.3 安装技术与地点的影响**
CP排放完全由安装地点驱动。城市OT安装排放远高于开放田野：小直径（DN 25–32）城市约18 t CO₂-eq/km，田野约1.4 t；DN 100–125城市约20 t，田野约2 t；DN 300–500城市约26–28 t，田野约5–10 t；大直径城市约33–38 t，田野约8–10 t。非开挖技术（HDD和IM）显著降低CP排放，尤其在城市：DN 500–630中HDD约5–6.5 t，而城市OT约33–38 t。IM略高于HDD但远低于城市OT。整体而言，安装地点是CP的主要驱动因素，非开挖技术提供显著减缓潜力，但随着直径增大，PP主导总影响，CP的相对重要性下降。

**5.4 运行压力的影响**
运行压力通过两方面影响GWP₁₀₀：增加壁厚导致PP材料质量上升，以及压力依赖的逸散排放和维护周期。PP随压力增加而升高，例如DN 500从PN 16（336 t）到PN 84（374 t），DN 700从PN 84（730 t）到PN 100（903 t）。UP中逸散排放随压力增加，例如DN 25–32在PN 1时UP为16.6 t，DN 1,000在PN 100时为24.79 t。压力过高会导致可避免的生命周期温室气体排放增加。

**5.5 总体减排潜力与限制**
聚乙烯管道在技术可行时能显著降低总GWP₁₀₀，城市中非开挖技术可进一步降低CP影响。但实际受限于地下基础设施、地质条件及聚乙烯的最大运行压力（PE约10 bar，PE-Xa约8 bar）。钢管适用于所有直径和压力等级，材料替代取决于压力等级和功能要求。

**5.6 敏感性分析**
敏感性分析显示，材料强度对大直径管道PP起主导作用；施工实践（开挖和地面恢复）支配CP；逸散甲烷排放是小直径天然气管道UP的关键敏感性参数。结果对合理输入变化稳健，相对比较结论可靠。

**5.7 方法框架与结果的转移性**
生产阶段在欧洲内高度可转移；施工阶段需根据国家调整运输参数；使用阶段不可直接转移，因基于德国标准和排放因子；寿命终结阶段可转移。在欧盟外需替换区域背景数据。

**5.8 与前期研究的比较**
与Xu等（2022）相比，本研究CP排放更高，归因于更细致的系统边界和建模分辨率；与Hajibabaei等（2018）一致，聚乙烯管道碳足迹远低于钢管，但绝对差异源于涂层和沟槽设计假设；非开挖技术的环境优势与Lu等（2020）等研究一致。

**讨论与结论**
研究量化了聚乙烯和钢管系统在德国天然气网络条件下的全生命周期环境影响，覆盖了广泛公称直径、材料类型和安装技术。结果显示材料选择和安装技术显著影响总GWP₁₀₀，城市中非开挖技术可大幅降低施工排放，但应用受制于地下空间限制。聚乙烯管道在技术适用时生态优势明显，无缝钢优于焊接钢。使用阶段天然气系统的逸散甲烷排放对小直径主导总GWP。未来研究需量化氢气泄漏率及其环境影响，并重新评估天然气系统在欧盟甲烷排放法规实施后的表现。运行能耗未被纳入边界，未来可扩展。假设50年寿命，实际可能更长，需分析寿命和维修策略的敏感性。总体而言，材料选择、制造工艺、安装技术和逸散排放共同决定气体基础设施的生态性能，研究为可持续网络规划和氢就绪型基础设施提供了统一生命周期库存框架。

**研究结论翻译**
本研究量化并比较了德国天然气网络条件下聚乙烯和钢管系统的生命周期环境影响。分析覆盖了广泛的公称直径（钢管DN25–1,000，聚乙烯管DN32–630）、不同管道材料（焊接钢、无缝钢、PE和PE-X）以及多种安装技术（OT、HDD和IM），在统一的LCA框架下针对当前天然气和未来氢气分配与输送系统。结果显示材料选择和安装技术对总GWP₁₀₀有显著影响。此外，安装环境是总环境影响的决定性因素。特别是在城市区域，非开挖安装技术可通过避免大量开挖及后续路面恢复带来显著环境效益。然而，在实践中，其应用常受限于城市环境中已有的地下基础设施和结构约束。总体而言，聚乙烯管在生态方面明显优于钢管系统，而无缝钢管在所应用的LCA模型中优于焊接钢管。使用阶段在天然气系统中由逸散甲烷排放主导，对小公称直径（DN ≤ 125）尤其构成总GWP₁₀₀的主要贡献。尽管未来氢气网络中也可能发生逸散氢排放，但由于缺乏可靠的经验数据以及已报道的氢气GWP₁₀₀值变异性较大，本研究未将其纳入。未来研究应聚焦于量化氢气泄漏率及其相关环境影响。此外，随着欧盟甲烷排放法规的实施预计将要求大幅降低气体网络中的甲烷泄漏，未来应重新评估天然气系统的结果。这可能导致逸散排放降低，从而减少使用阶段对总GWP₁₀₀的贡献。运行能耗（包括压缩和网络控制过程）未被纳入本研究的系统边界，未来分析可纳入这些方面以提供更全面的生命周期表征。此外，管道基础设施假设寿命为50年，实际可能显著更长。延长寿命并结合适应性维护周期可降低平均年排放，同时增加总输送能量。未来工作应研究生命周期影响对基础设施寿命假设和维护策略的敏感性。总体而言，研究结果强调材料选择、制造工艺、安装技术和逸散排放共同决定气体基础设施的生态性能。研究为可持续网络规划提供了统一依据，并有助于向具有最低生命周期环境影响的氢就绪型天然气基础设施转型。除具体评估的管道配置外，本研究提供了统一且基于工程的生命周期库存，可作为未来天然气和氢气管道基础设施LCA的参考框架，实现跨材料、直径、运行压力和安装技术的一致性比较。