演进中能源系统背景下电解制氢的动态前瞻性生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)：以爱尔兰为例研究

《Cleaner Energy Systems》：Dynamic and prospective life cycle assessment of electrolytic hydrogen production within an evolving energy system: an Irish case study

　　

可再生氢(expected to play a key role in decarbonising future energy systems)。与此同时，支撑可再生氢生产的能源系统正在快速发展。这种相互关联性增加了评估氢环境影响的复杂性，应谨慎建模。研究人员旨在通过将小时级动态(hourly dynamics)与前瞻性建模(prospective modelling)相结合的LCA模型来解决这些问题，以确定在爱尔兰引入大规模电解制氢的环境影响，比较使用电网电力恒定制氢与使用原本被弃置电力(curtailed power)的变负荷制氢。结果表明，海上风电部署、电网改善、电池部署及互联线(interconnector)依赖度等若干重要能源系统发展将严重影响可用弃电量(0–13.91 TWh/年)及电网电力的环境影响(14–62 g CO2-eq/MJ)。然而，当弃电量高于可用可再生发电量1%时，变负荷制氢相较恒定制氢可减少63–79%耗水量、65–97%土地利用及88–98%全球变暖潜值(Global Warming Potential, GWP)。仅使用电网电力制氢需在大量低碳电力进口且允许系统非同步穿透率(System Non-Synchronous Penetration, SNSP)达95%时，才符合欧盟法规(Delegated Regulation (EU) 2023/1184 and 1185)定义的可再生氢。研究结果支持欧盟要求严格时间相关性(temporal correlation)的决定，但警示当利用率(utilisation rate)极低时，利用弃电制氢也将不可持续。所开发的方法可应用于评估大规模能源系统变化后果的任何研究。

论文解读：《Dynamic and prospective life cycle assessment of electrolytic hydrogen production within an evolving energy system: an Irish case study》（发表于《Cleaner Energy Systems》）

一、研究背景与意义

气候变化被认为是现代人类面临的最大威胁，化石能源的开采和使用是全球温室气体（Greenhouse Gas, GHG）排放的主要来源。为应对人为气候变化，全球正推动从化石燃料向可持续低碳能源转型，其中氢（H₂）作为一种利用时无碳排放的气态燃料受到广泛关注。然而目前全球大部分氢气来自天然气蒸汽甲烷重整（Steam Methane Reforming, SMR）工艺生成的"灰氢"，其碳足迹甚至高于直接燃用化石燃料。通过电解水（Water Electrolysis）利用可再生电力制取"绿氢"理论上可实现近零碳排放，但若直接使用含化石机组的电网供电连续电解，其隐含碳排放仍可能较高，甚至在电网高碳化情形下超过灰氢。

此外，在高比例可变可再生能源（Variable Renewable Energy Sources, VRES，如风电、光伏）渗透的电力系统中，会出现因输电约束或系统非同步穿透率（System Non-Synchronous Penetration, SNSP）限制导致的"弃电"（curtailed power / curtailment）——即本可被利用而却被浪费的多余可再生电力。利用弃电进行电解制氢在经济研究中被视为降低平准化制氢成本（Levelized Cost of Hydrogen, LCOH）的重要途径，但此前生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）研究鲜少在动态小时级与前瞻性（prospective，考虑能源系统随时间演变）框架下综合评估此路径。

现有氢能LCA多采用静态归因性（attributional）方法或仅用平均电网因子，未充分考虑：（1）电解槽受波动功率输入影响时的动态效率变化与启停损耗对堆寿命（stack lifetime）的影响；（2）项目全生命周期（如15年）内能源系统结构（VRES装机、储能、互联线容量、SNSP限值）演进对边际电力组合（marginal electricity mix）及弃电量的改变；（3）对比恒定制氢（constant production using grid power）与弃电变负荷制氢（variable production using otherwise curtailed power）在环境影响上的差异及其对欧盟可再生非生物燃料（Renewable Fuels of Non-Biological Origin, RFNBO）认证合规性的影响。鉴于爱尔兰规划大规模绿氢产业且尚无相关大规模制氢LCA发表，研究人员以爱尔兰为案例，构建了动态—前瞻性LCA框架开展研究，以为欧盟政策制定及类似地区提供方法与数据支撑。

二、主要关键技术方法概述

研究人员采用后果性LCA（consequential LCA）框架，功能单位为1 MJ产氢量，系统边界为从摇篮到大门（cradle-to-gate，不含退役）。研究假设项目2026年投运、寿命15年，采用中点简化法——电解槽制造运输安装环境影响按2026年现状核算，运行阶段环境影响按项目寿命中点年份（约2033年）的能源系统状态建模，基于线性变化假设用中点年代替全时段积分。选用SimaPro软件及Ecoinvent v3后果性数据库。电解槽选用聚合物质子交换膜（Polymer Electrolyte Membrane, PEM）电解槽，生命清单引用文献中PEM堆栈（stack）与辅机平衡（Balance-of-Plant, BOP）制造、海运（中国至爱尔兰）及占地数据，堆栈更换次数由动态运行小时数决定。电力供给通过MATLAB自建小时级能量系统模型（Energy Systems Model, ESM）模拟爱尔兰2033年基准情景24种（组合有无海上风电Offshore Wind, OSW、SNSP限值75%或95%、电池储能Battery Energy Storage System, BESS容量低或高、互联线interconnector容量1.7 GW/3.95 GW/不启用），优先调度VRES→储能放电→电力进口→可调度火电，超出SNSP限制与出口上限后计量弃电量。恒定电网电解场景将500 MW电解负荷叠加至年小时用电曲线求边际电源组合；弃电制氢场景以各小时可用弃电驱动500 MW电解槽计算变负荷产氢量。电解槽小时产氢量依据Kopp et al.(2017)PEM实测数据拟合的输入功率—效率曲线计算，比电耗（Specific Electricity Consumption, SEC）取50–83 kWh/kg H₂（额定工况66.5 kWh/kg），用水按20 kg水/kg H₂计。影响评价采用ReCiPe Midpoint (H) 2016方法，关注全球变暖潜值（Global Warming Potential, GWP）、矿物资源稀缺（minerals/metal resources use）、土地利用（land use）及耗水（water consumption）。对进口电力碳强度做敏感性分析（±100%~200%），并对照欧盟授权法规(EU) 2023/1184与(EU) 2023/1185中RFNBO阈值（较化石燃料比较值94 g CO₂-eq/MJ减排≥70%，即≤28.2 g CO₂-eq/MJ；及电网年平均碳排放强度<18 g CO₂-eq/MJ或90%可再生渗透等附加规则）进行合规性讨论。

三、研究结果

Curtailed power availability（弃电可用性）

通过24个2033年基准情景模拟发现，互联线容量对弃电量影响最大：互联线达4.0 GW时弃电近乎为零（0–1.42% VRES发电量）；互联线维持1.7 GW时间接受SNSP与OSW影响弃电范围为0.03–14.84%；无进出口时弃电占比2.33–35.47%，明显受OSW装机量与SNSP上限驱动。BESS容量由2.3 GWh增至7.0 GWh对弃电量影响微弱。

Marginal electricity mix（边际电力组合及GWP）

恒定500 MW电解负荷使电网边际供电GWP介于14–62 g CO₂-eq/MJ。最低值出现在高SNSP（95%）与高互联线（4.0 GW）情景（14–16 g CO₂-eq/MJ，边际电进口自英/法低排放电源），最高值出现在低OSW且无互联情景（59–62 g CO₂-eq/MJ）。多数自建情景边际电GWP低于Ecoinvent爱尔兰默认边际电但未及英/法边际电水平。

Hydrogen production scenarios（制氢情景产氢量与环境影响）

恒定制氢年产氢约65,188吨（电解槽利用率100%）。弃电制氢年产量随情景从76吨（ES14，弃电极少）至43,422吨（ES11，无互联、低SNSP、无OSW但高陆上风与光伏）不等；高互联线情景弃电为零故无法产氢。当弃电量＞可用VRES发电量的1%时，弃电制氢较恒网电解制氢可降低GWP 88–98%、土地利用65–97%、耗水63–79%。若弃电＜0.2% VRES发电量（如ES14），因电解槽利用率极低致设备制造分摊影响凸显，弃电制氢GWP反高于恒网方案。系统SEC改善（82→50 kWh/kg）可使各影响类别降约39–40%；堆栈寿命由20,000 h提至60,000 h对恒网影响＜5%，但对弃电变负荷情景可使GWP降幅达1–56%（依利用率不同）。矿物资源耗用在弃电情景普遍高于恒网，源于低利用率下单位产氢分摊更多贵金属（铂、铑等）及堆栈更早更换。土地利用中，弃电制氢以铂族金属采矿用地为主（设备占地仅贡献2–12%），恒网制氢土地利用主因边际电网中生物能占比引致农用地变化。耗水足迹组成也随利用率变化——高利用率时电解用水占84%，低利用率时设备制造运输中钢材与电子件隐含水耗占比升高至65%。

Implications for European and Irish climate targets（对欧盟及爱尔兰气候目标的启示）

全生命周期GWP范围为1.4–344.5 g CO₂-eq/MJ。除ES13_Curtailed、ES14_Curtailed、ES22_Curtailed外，弃电制氢均满足RFNBO减排70%阈值（＜28.2 g CO₂-eq/MJ）；恒网电解仅在高互联线引致低边际GWP情景（ES15/16/21/22_Grid，GWP 22.5–41.4 g CO₂-eq/MJ）临界接近或略超阈值，其余均不达标。按(EU) 2023/1184附加规则，爱尔兰电网至2033年仍难达前一年可再生渗透≥90%，仅个别高互联进口情景边际电年均强度接近＜18 g CO₂-eq/MJ门槛且依赖邻国电网脱碳。敏感性分析显示若将进口电力GWP上调100–200%（反映英边际气电仍存不确定性），所有含进口情景恒网制氢GWP剧增致无一达标。研究指出EU法规认可严格时间相关性（temporal correlation，2030年起要求小时级匹配），弃电时段因负/极低电价自动满足时间相关性与附加性（additionality）与地理相关性（geographic correlation），但极低下弃电率会导致"形式可再生、实质高排放"悖论。若替代天然气发电/供热，高弃电高产氢情景（ES11_Curtailed）年潜在减排可达约331,228吨CO₂-eq，而部分无互联恒网情景因边际电为燃气机组实际上是用天然气制氢替换天然气，无减排甚至增排。

四、讨论与结论翻译（Conclusions部分意译归纳）

该研究通过结合后果性LCA与动态能量系统模型，评估了爱尔兰大规模绿氢生产中恒网供电与弃电变负荷两种路径，并提出简化前瞻性中点法。结果证实未来能源系统演变（海上风电、SNSP、互联线、储能）显著影响弃电可得量与电网电GWP，进而决定制氢是否符合EU RFNBO法规。恒网电解制氢合规性高度依赖进口电力碳强度，若调高进口电碳强度则全部不达标。弃电可再生电解按法规视为可再生，且在弃电＞1% VRES发电量时GWP、土地利用、耗水显著低于恒网方案；但当系统弃电平极低（＜1% VRES发电量，尤其＜0.2%）时因设备分摊影响致使弃电制氢亦不可持续，支持EU严格时间相关性要求同时警示过低利用率风险。研究强调氢的可持续性根本上取决于周边电力系统特征、电解槽效率及利用率。所建方法可推广至其他处于能源转型地区评估大规模能源系统变动后果。后续研究可纳入S型技术成长曲线、更多尺度对比、动态氢储运及终端利用边界扩展。

（全文完）