引领绿色氢能革命：藻类生物氢生产领域的科学、创新与产业见解

《International Journal of Hydrogen Energy》：Pioneering the green hydrogen revolution: Science, innovations, and industrial insights in algal biohydrogen production

　　穆姆塔吉·沙阿|阿舒托什·库马尔|阿米特·查图尔韦迪|M.A. 迪亚布沙特阿拉伯哈利德国王大学工程学院化学工程系，邮政信箱960，阿巴，61421摘要微藻生物氢通过结合太阳能转换、二氧化碳固定、废水养分回收以及生物质利用，为可再生氢气生产提供了一条途径。然而，经过五十年的研究，至今仍没有一种藻类制氢方法实现商业化应用。本综述以产量、LCOH值、EROI值以及技术成熟度作为评估指标，对比了生物法、热化学法和电化学法制备藻类氢气的不同路径。目前大多数光生物系统仍处于技术成熟度3–4阶段，其主要障碍在于[FeFe]氢酶对氧气的敏感度极高，当溶解氧浓度达到0.1–2%时就会受到抑制。目前报道的光生物制氢速率较低，通常为0.1–1.5毫升/升·小时，EROI值在0.8–1.2之间。而暗发酵法则展现出更好的短期应用潜力，其制氢速率可达5–50毫升/升·小时，EROI值在1.5–3.0之间。超临界水气化法虽能产生理论上的LCOH值为1.7–8千克/氢气，但其效果取决于催化剂寿命、热量整合方式以及湿生物质运输问题。在藻类系统中，人工智能/机器学习控制技术尚未得到充分验证。总体而言，暗发酵与膜电解组合的技术似乎最接近规模化应用的条件。引言全球能源结构以化石燃料为主，这类能源约占一次能源消耗的80%，同时也导致了大量的温室气体排放和气候变化问题。根据《2026年全球能源报告》的数据，全球能源与工业进程产生的二氧化碳排放量已达38.4吉吨，这凸显出对清洁、可持续能源载体的迫切需求[1]。氢气作为一种极具前景的能源，具有高能量密度（120-142兆焦/千克）、燃烧时不产生任何污染物（仅生成水），且可在交通、发电及工业制造等多个领域得到广泛应用[2]。作为化石燃料的替代品，氢气已在化工生产、燃料电池、交通运输以及发电等领域得到广泛使用[3]。当燃料电池使用现场生成的氢气时，其效率会更高，若将其集成到车辆中，还可实现零排放驱动[4,5]。由于氢气有助于实现《巴黎协定》中将全球气温上升控制在1.5摄氏度以内的目标，因此它已成为全球减碳战略的核心要素。氢气可以通过多种途径生产，包括通过天然气蒸汽甲烷重整法、利用可再生能源电力进行水电解，以及生物质气化法[6]。不过，目前所使用的氢气几乎都属于灰氢（约1亿吨），这些氢气主要来自天然气等化石燃料[7]。这种生产方式会产生大量二氧化碳，不仅带来环境问题，也违背了可持续发展的目标。蒸汽甲烷重整法是一种成熟的灰氢生产技术，目前能够满足全球85%的氢气需求，但其供应能力有限，而且还会产生大量温室气体排放[3,8]。由于灰氢生产过程中产生的大量温室气体，削弱了其后续使用带来的好处。要生产清洁的绿氢，就需要采用那些几乎不产生或完全不产生温室气体的替代生产方法。根据不同预测，到2050年，清洁氢气的需求可能占全球氢气总需求的73%至100%（125至585百万吨/年），而灰氢的供应量则仅为1至50百万吨/年[9]。图1展示了2022年的年度氢气消费量以及到2050年的预测趋势，这些数据表明氢气将在发电（30%）、交通运输（23%）以及建筑领域（7%）等更多行业中得到应用[10]。绿氢可以通过利用风能和太阳能等可再生能源驱动的水电解法来生产，这样既能降低运营成本，又能减少碳足迹。已有许多研究分析了利用太阳能和风能等可再生能源生产绿氢的成本与可行性[12,13]。虽然水电解法能够产出最纯净的氢气，但由于其能源效率较低且成本较高，因此在全球氢气生产中所占比例很小[14]。那些会对生态系统造成严重威胁的不可降解塑料废弃物，也被通过水气化处理转化为富含氢气的气体[15]。由于生物质来源丰富且具有碳中性特征，人们正在积极探索通过气化、热解以及超临界水气化等多种方法利用生物质来生产氢气[16,17]。不过，目前用于生产氢气的大多数化学法和热化学法要么成本高昂，要么会产生二次污染物，或者两者兼有[18]。在这方面，利用生物资源生产生物氢是一种具有潜力且可持续的替代传统氢气生产的方法。这一方法有助于实现可持续发展目标中的廉价清洁能源目标（SDG 7）、气候行动目标（SDG 13）、可持续工业化目标（SDG 9），以及负责任的资源利用与生产目标（SDG 12）。在这一过程中，生物氢的生产依赖于细菌和微藻体内的氢化酶和氮化酶，这些酶能够催化氢气的生成，为可再生能源的开发提供了一种可持续且环保的途径[19,20]。微藻生物氢具备独特的优势，它能够将太阳能驱动的水分解与二氧化碳固定过程（每日固定速率可达1.8克/升）以及废水养分回收相结合，从而在无需占用耕地的情况下同时实现能源安全与循环经济的目标。与那些需要依靠可再生能源电力，且每生产1千克氢气就要消耗50–70千瓦时的电解法相比，微藻系统能够在常温常压条件下利用光合作用产氢，如果与废水处理系统以及混合型可再生能源微电网相结合，还能进一步降低整个生命周期的碳排放[19,21]。大型藻类是体型较大、多细胞的生物，通常被称为海藻；而微藻则是体积极小、单细胞的生物，不借助放大设备就无法观察到[22]。根据大小不同，藻类被分为微藻，它们属于自养、异养或兼性生物，且体内都含有叶绿素[23]。由于易于培养且结构简单，人们通常选择小球藻和莱茵衣藻等微藻品种来开展生物氢生产研究[24]。生物氢的生产在常温常压下即可进行，因此相比热化学法或电化学法，它的能耗更低。从长远来看，这种环保的光生物制氢方法不会产生任何有害副产品，而且大规模培养藻类还能获得其他附加产品。尽管该技术具有巨大的经济潜力，但目前仍面临诸多研究难题，包括降低氢化酶对氧气的敏感度、控制底物分解过程、防止光合作用干扰质子梯度，以及高效捕获太阳能等[25]。研究人员正在通过基因工程手段改良藻类品种，以提高氢气产量，从而为更高效、更具成本效益地利用这一清洁能源开辟道路[26]。随着全球对可再生能源需求的不断增长，基于微藻的生物氢技术的发展有望在塑造未来能源产业格局中发挥关键作用[27]。根据《氢能洞察》的报告[28]，目前全球已宣布了11个最大的绿氢项目，如果这些项目全部建成，每年将能够生产超过1亿吨绿氢，这一数量约占2050年全球氢气需求总量的三分之一。这些大型项目包括HyDeal Ambition项目（3.6百万吨/年）、西部绿色能源中心项目（3.5百万吨/年）、哈萨克斯坦绿色氢气项目（3百万吨/年），以及印度的国家绿色氢气计划——该计划旨在到2030年每年生产5百万吨绿氢，相关投资总额高达1974.4亿卢比，还有日本的绿色增长战略（2021年制定，2024年进行了修订）。这些项目均旨在建设数吉瓦级的可再生能源设施，从而实现每年生产数百万吨绿氢的目标。根据国际能源署的估算，要想实现全球净零排放目标，到2050年每年需要生产约3.06亿吨绿氢[29]。早期关于利用藻类生产氢气的研究主要集中在生物光解和光合作用上，这些研究使用了多种不同的微生物。后来人们开始研究暗发酵法，也就是异养发酵法，这种方法无需光照即可在黑暗环境中生产氢气。在没有光照的情况下，氢气是通过暗发酵或异养发酵在厌氧条件下产生的[30]。从理论上计算，光合异养过程的生产效率约为10%（以太阳光谱为基准）[31]。人们已经通过分子工程手段试图提升藻类的光合作用能力。有研究认为，基因工程可能是培育出耐氧藻类突变体的有效方法。不过，现有的光生物反应器设计也需要进行根本性的改进，才能提高氢气产量。目前，光生物反应器的生产效率受到设计因素的限制，比如光照条件不足以及表面积与体积比过高等问题[31]。为了解决这些问题，人们开始研究多级生物反应器系统，以此提高代谢物的利用率，进而提升生产效率和氢气产出量。尽管经过数十年的深入研究，微藻生物氢生产技术仍未达到商业化的标准。目前已有研究显示，生物制氢途径的平准化氢气成本在10美元/千克到50美元/千克以上不等[6]。美国能源部设定的氢气发展目标是在2030年前将氢气成本降至1美元/千克[32,33]，这意味着目前两种技术之间存在10到50倍的差距，而这一差距在相关文献中往往未被明确提及。自2005年以来，直接生物光解技术的技术成熟度一直处于3–4阶段，至今尚未有连续运行的藻类制氢中试系统被成功展示出来[34]。另一方面，通过超临界水气化法对湿藻类生物质进行热化学转化可能是一种更为复杂的工艺路线，因为最近的催化式超临界水气化研究显示，该方法的成本效益有了显著提升[35]。据我们所知，目前还没有任何综述能够在一个统一的分析框架内，综合考虑机制限制、工程障碍、人工智能/机器学习技术的应用潜力以及技术经济层面的因素，并将这些内容与美国能源部2030年氢气成本1美元/千克的目标相对照。虽然此前有一些关于微藻及藻类制氢技术的综述，比如Hallenbeck和Benemann在2002年发表的文章、Dasgupta等人2010年的研究，以及Natrajan等人2021年的成果，这些综述大多侧重于某种特定的生物途径或单一的生产方法，为了解释生产过程中的各种问题提供了宝贵的见解[[36], [37], [38]]。近期的综述则继续延续这一趋势，但研究重点更加集中：Goria等人2024年的研究[39]主要探讨了生物学方面的挑战；Al Qadri等人2026年的研究[40]则着重分析了代谢机制以及二氧化碳的利用问题；Pillay等人2025年的研究[41]则回顾了预处理技术和基因工程方法；Cha等人2025年的研究[42]则涵盖了更广泛的生物制氢途径。而本综述的独特之处在于，它全面探讨了以下内容：（1）生物法、热化学法以及电化学法之间的整合，同时对各类方法所面临的技术和经济挑战进行了深入比较；（2）介绍了全球范围内最新的案例研究，并对这些研究中的技术应用进行了具体分析；（3）对包括基于人工智能/机器学习的优化方法在内的工艺强化策略进行了深入分析；（4）提出了以技术成熟度为框架的路线图，为每种制氢途径设定了明确的技术里程碑，这些里程碑都与美国能源部2030年氢气成本1美元/千克的目标直接相对应；（5）通过标准化的方式对不同制氢途径进行了比较，为研究投资的优先顺序提供了依据。由于本综述同时关注了生物反应器的设计与运行、商业应用前景、氢气生产的代谢途径，以及藻类制氢技术的发展前景，因此它具有独特的价值。本综述在以往多项重要研究成果的基础上进行了拓展。一些重要的基础性综述包括关于生物途径工程研究的全面总结[[19], [20], [21]]、光生物反应器设计及运行优化的相关研究[20]，以及关于藻类氢气系统的技术经济分析和生命周期评估的研究[43,44]。本综述则在这些基础之上，加入了基于人工智能/机器学习的工艺优化理念[45,46]，并进行了全面的跨方法分析，涵盖了生物法、热化学法以及电化学法，而这些方法此前还从未在某一篇综述中被综合分析过。章节节选藻类生物质：特性与预处理藻类是一类原始的光自养生物，它们通常生长在池塘、海洋环境、树皮表面以及其他水体中。由于其生长速度快（倍增时间仅为24-48小时）、二氧化碳固定能力强（每日可固定1.8克二氧化碳/升），且具有很强的环境适应能力，因此非常适合作为生物氢生产的原料。Duangjan等人2013年的研究[47]对多种藻类进行了检测，以评估它们的氢气生产潜力，研究结果表明，氢化酶在生物氢生产过程中起着至关重要的作用。藻类生产生物氢近年来，由于微藻具有更强的生物氢生产能力，因此受到了全球范围内的广泛关注。如图3所示，藻类可以通过不同的方式生产生物氢，这些方式有时需要光照，有时则不需要。藻类可以通过光生物法、发酵法、热化学法以及电化学法来生产可再生的生物氢[61]。所有生物氢合成方法都依赖于氮化酶或氢化酶这两种关键酶的活性，正是这些酶推动了氢气的生成。生物反应器设计与氢气生产要推动基于微藻的生物氢生产技术的发展，就必须先改进生物反应器系统。目前，人们既可以使用封闭式生物反应器，也可以使用开放式池塘培养系统来培养藻类生物质；不过，近年来，由于封闭式系统尤其是光生物反应器能够更好地控制操作参数并提升生产效率，因此得到了更广泛的应用[182]。微藻在生物氢的代谢过程中发挥着核心作用。生物氢生产的工业应用前景作为一种清洁、可再生的能源，生物氢为满足全球日益增长的氢气需求提供了一种可持续的解决方案。从工业发展的角度来看，人们之所以重视生物氢，是因为环境法规的要求、减碳目标的推动，以及人们迫切希望摆脱对化石燃料的依赖——目前全球范围内大约99%的氢气都是通过化石燃料生产的，而这些化石燃料的燃烧也会产生大量二氧化碳排放。这项技术利用了可再生资源。未来展望虽然生物氢的生产目前还无法在经济效益上与传统方法竞争，但在那些废物处理与能源生产能够有效结合的特定工业应用领域，它展现出巨大的潜力。创新技术、有利的监管环境以及日益严格的化石燃料碳排放处罚措施，都将逐步提升其工业化应用的可行性。将藻类生物氢技术从实验室或小规模实验推向实际应用……结论总而言之，由于对化石燃料使用导致的全球变暖和环境污染的担忧，再加上21世纪中叶可能出现化石燃料短缺的预测，迫切需要发展清洁、可再生且环境可持续的能源。藻类生物氢生产是一种满足全球日益增长的能源需求的可持续解决方案，为源自化石燃料的氢气提供了绿色替代品。藻类生物氢生产涉及多个方面……资金支持作者们感谢卡利德国王大学的研究与研究生院通过“大型研究小组计划”为这项工作提供资助，资助编号为RGP2/41/47。作者贡献声明穆姆塔吉·沙阿：概念设计、资金筹措、初稿撰写、审稿与编辑。阿舒托什·库马尔：概念设计、项目管理、初稿撰写、审稿与编辑。阿米特·查图尔韦迪：项目管理、资源协调、初稿撰写。M.A.迪亚布：正式分析、监督、审稿与编辑。利益冲突声明作者们声明自己没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。