综述：太阳能辅助制氢：光伏-电解技术的综合综述及可持续发展前景

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Solar-assisted hydrogen production: A comprehensive review of photovoltaic-electrolysis pathways and sustainability outlook

　　博尔亨·罗希奇（Borhen Louhichi）、巴伦·哈尔达尔（Barun Haldar）、阿尼尔·库马尔·迪帕蒂（Anil Kumar Deepati）、伊萨姆·Y·库德西（Isam Y. Qudsieh）、阿卜杜勒拉赫曼·S·赛特（Abdulrahman S. Sait）、艾哈迈德·M·巴加比尔（Ahmed M. Bagabir）、文卡特什·R（Venkatesh R）、拉米亚·马拉南（Ramya Maranan）

沙特阿拉伯利雅得，伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University，IMSIU）科学研究系，工程科学研究中心（Engineering Sciences Research Center，ESRC），邮编11432

摘要：实现全球净零排放需要开发可扩展的、碳中性的氢生产系统，这些系统能够有效整合可再生能源。太阳能辅助氢（SAH）生成技术结合了光伏（PV）、太阳能热能和光电化学（PEC）转换与电解过程，是生产可持续燃料的基本途径。本综述全面而批判性地分析了太阳能制氢（STH）技术，特别关注了基于光伏的电解技术，特别是质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）和固体氧化物电解槽（SOEC）系统，以及太阳能热能和PEC方法。通过使用系统性评估和荟萃分析的优先报告项目（PRISMA）方法，纳入了2020至2025年间发表的150篇经过同行评审的研究，以评估性能指标、技术经济趋势和生命周期可持续性指标。所报告的STH系统效率范围为10%至25%，堆栈寿命为2000至40,000小时，资本强度为600至1600美元/千瓦（USD kW?1）。生命周期评估显示，使用可再生电力供应的PV-PEM配置的温室气体（GHG）排放量低至1.3-2.8千克二氧化碳当量/千克氢（kgH2?1）。预测表明，在阳光充足的地区，到2035年氢的平准化成本（LCOH）可能降至1.5-2.0美元/千克氢（USD kg?1）。综述强调了关键挑战，包括催化剂短缺、热循环弹性和间歇性问题。它强调了推动太阳能氢大规模部署所需的创新、循环材料策略和政策框架，以实现一个强劲的低碳未来。

引言：全球对碳中和的日益承诺使氢成为连接可再生电力生产和难以脱碳的工业部门的关键能源载体[1]。根据《巴黎协定》和COP28全球盘点成果，各国加大努力将全球平均气温升幅限制在1.5°C以下，从而提高了绿色氢作为化石衍生“灰氢”和“蓝氢”替代品的战略重要性[2]。目前，传统的氢生产方式，主要是蒸汽甲烷重整和煤气化，每年排放近9亿吨二氧化碳，占全球人为温室气体排放总量的约2.5%[3]。这种对化石基生产的依赖凸显了迫切需要可扩展的低碳氢技术，以促进能源、交通和工业系统的深刻脱碳[4,5]。

在新兴的可再生能源生产路径中，SAH生成是最有前景的方法之一，因为它直接利用丰富的太阳辐射通过电化学、热过程或PEC机制驱动水分解反应[6]。将光伏电力与水电解相结合是目前最先进且可部署的配置，提供了模块化可扩展性和与现有可再生能源基础设施的兼容性[7]。与此同时，太阳能热循环和热化学循环利用集中太阳能热能进行高温氧化还原反应，理论上的STH效率估计在25%至40%之间[8,9]。然而，实际应用仍受到材料耐用性和热管理挑战的限制[8,9]。PEC系统在半导体-电解质界面结合了光子吸收和催化活性，提供了一条概念上优雅的一步法；然而，它们仍然面临光腐蚀、长期稳定性和规模化可行性方面的限制[10]。尽管技术进步迅速，现有文献仍然分散，许多研究单独探讨了各种氢生产路线，而没有在统一的分析框架内评估它们的相对效率、技术经济性能、生命周期影响和部署可行性[11]。现有综述通常侧重于电解性能参数或半导体创新，而对系统级集成、环境权衡和政策背景的关注相对较少[12]。因此，缺乏综合视角阻碍了太阳能氢技术实现与传统燃料的成本和性能相当的路线[13]。解决这一差距对于使氢技术创新与全球脱碳战略和国家政策举措（如欧盟氢战略、美国《通胀削减法案》和印度的国家绿色氢计划）保持一致至关重要[14,15]。

因此，本综述提供了一个全面的SAH生产路径比较评估，统一分析框架内涵盖了PV-E系统、太阳能热循环和热化学循环以及PEC技术。通过整合最新技术进展、识别操作限制，并比较生命周期温室气体排放和氢的平准化成本，本研究评估了太阳能氢系统的成熟度和可持续性前景。除技术性能外，分析还考虑了材料循环性、数字化优化和影响大规模部署的政策机制。

综述采用了与PRISMA 2020框架一致的系统性文献回顾（SLR）方法，以确保方法论透明度、可重复性和分析严谨性。文献搜索在三个主要数据库Scopus、Web of Science和ScienceDirect中进行，这些数据库汇集了最广泛的能源和可持续性领域经过同行评审的研究。使用的布尔搜索字符串包括“太阳能氢”、“光伏电解”、“光电化学分解”、“太阳能热化学氢”、“技术经济分析”和“生命周期评估”等关键词。调查范围限于2020至2025年间发表的学术文章，从而涵盖了太阳能氢研究的最新技术、经济和政策发展。

出版物经过四个PRISMA阶段筛选：识别、筛选、资格评估和纳入。只有那些提供系统效率、堆栈寿命、成本或环境性能定量数据的经过同行评审的文章才符合考虑标准。排除仅限于理论分析、灰色文献和非英文撰写的出版物。从最初的1834篇论文中，有642篇文章通过了初步筛选，150篇在全面全文审查后符合纳入标准。选定的文章被分为三个主题类别：（i）PV-E系统，（ii）太阳能热循环和热化学循环，（iii）PEC系统。

对于每个主题类别，提取了有关STH效率、运行寿命、能耗（kWh kgH2?1）、资本强度（USD kW?1）、LCOH和生命周期温室气体排放（kg CO2-eq kgH2?1）的相关数据。在跨技术比较时，使用来源文献中提供的统一报告基础对提取的指标进行解释。效率值在标准太阳测试条件下或等效的辐照度假设下进行比较；能耗值以通用单位（如kWh kgH2?1）表示，经济指标与基于美元的功能单位（主要是USD kW?1和USD kgH2?1）对齐。生命周期指标在报告了系统边界的情况下按从摇篮到大门（cradle-to-gate）的方式进行比较。当源研究采用不同的气候假设、边界条件或成本方法时，结果被解释为比较范围而非严格相同的基准。这种协调使得技术间的比较更加透明，同时保留了原始研究的背景限制。分析综合了定性和定量评估，以评估性能趋势、识别成本降低驱动因素并评估环境权衡。图1概述了文献识别、筛选和纳入的逐步过程，确保本综述的证据基础全面、透明且可复制。

由于纳入的文献类型多样，包括实验室实验、试点示范、工艺模拟、技术经济分析和生命周期评估，因此未应用正式的偏倚风险评分框架。尽管如此，筛选过程优先考虑了报告明确定量指标（如效率、耐用性、能耗、成本或排放）的研究，从而提高了比较综合的稳健性。

### 太阳能制氢转换路径概览
STH转换允许以化学形式储存间歇性太阳能，生成可再生燃料，将变化的太阳能转化为适用于广泛应用的储存储备、高能量密度介质[16]。STH技术旨在通过光子或热过程利用太阳辐射将水分解为氢和氧[17]。根据能量转换原理和系统的架构框架，STH技术可以分为...

### 光伏驱动的电解系统
光伏能量与水电解的结合代表了SAH生成中最先进且商业上可行的路径。在这种配置中，光伏模块将太阳辐射转换为电能，进而驱动水的电化学分解为氢和氧[43]。太阳能捕获与电解的分离使得两个子系统可以独立优化，从而促进模块化设计和可扩展实施...

### 光电化学氢生成
PEC水分解是直接转换STH的概念上最复杂且科学上最精细的方法之一。与将光子吸收和电化学反应分隔成独立子系统的PV-电解系统不同，PEC设备在单个半导体-电解质界面整合了光收集和催化作用。当受到光照时，半导体吸收光子，产生电子-空穴对[71]...

### 技术经济评估
组件成本、系统效率和容量因子之间的复杂相互作用深刻影响了SAH生成的经济可行性。在各种配置中，基于光伏的PEM系统目前在试点和示范阶段显示出最具经济效益的竞争力[96]。最近在欧洲、美国和澳大利亚进行的技术经济评估表明，假设平均太阳辐射条件下，LCOH范围为3至5美元/千克氢（USD kg?1 H2）...

### 部署潜力和区域趋势
SAH的全球可扩展性从根本上取决于成本最小化、技术整合、基础设施准备和政策一致性的同步进展。以高太阳辐射为特征的地理区域，特别是印度、澳大利亚、中东、北非和智利，由于其丰富的土地资源和有利的光伏经济条件，非常适合大规模部署[115]。在基准太阳资源参数下...

### 结论
利用太阳能生产氢在全球脱碳努力中占据中心地位，作为可再生能源生产和可持续燃料合成之间的关键纽带。通过结合太阳能与电化学、热化学和PEC方法进行水分解，这些系统提供了一条可扩展的途径来生成碳中性氢。在所研究的路径中，基于光伏的PEM电解被认为是最先进且准备最充分的...

### 资助声明
本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究系的支持和资助（资助编号IMSIU-DDRSP2603）。

### 竞争利益声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。