由于人口增长和经济发展，预计未来二十年全球能源产量将上升约50%[1]。在过去十年中，对化石燃料（煤炭、天然气和石油）的需求持续上升[2]。2024年，化石燃料占全球初级能源消费的87%，导致了全球73.3%的温室气体排放[3]。这种依赖不仅会带来温室气体问题，还会导致化石资源枯竭和水资源压力等环境问题[4,5]。
尽管各国在2023年同意到2030年将全球可再生能源的产能提高三倍，但国际能源署预测，其产能仅会比2022年增加2.6倍，达到9530吉瓦，而要实现《巴黎协定》1.5摄氏度目标，所需的产能则为11,500吉瓦[6]。
鉴于化石燃料燃烧对环境和人类健康造成的危害，迫切需要转向不再依赖化石资源的可再生能源[7]。国际可再生能源机构指出，为实现全球气候目标，可再生能源将需承担41%的减排任务[8]。
在此背景下，由可再生能源产生的可再生氢气已成为迈向绿色能源未来的有力替代品[9,10]。氢气有望在降低那些难以减排的能源密集型行业的碳排放方面发挥关键作用，比如航运业、化学工业以及那些需要高温工艺的工业领域[11,12]。国际能源署预计，到2050年，氢气将在最终能源消费中占据10%的比例，这一数据还不包括石化行业内部的氢气生产[13]。
氢能经济在向更可持续的能源系统转型过程中具有诸多优势：由于其高能量密度，氢气是一种理想的能源储存方式[14]，而且它可以通过多种化石能源和可再生能源来生产，从而确保能源供应的多样性和稳定性[15]。作为一种多功能能源载体，氢气可以转化为电能[16]，同时也可作为车辆的清洁燃料替代品，减少对传统化石燃料的依赖，进而降低温室气体排放[9]。此外，氢气在平衡可再生能源方面也发挥着重要作用：它能够储存和释放能量，有助于缓解可再生能源的间歇性问题，提升电网的稳定性、安全性和灵活性[17]。鉴于这些优势，氢气已被视为推动能源转型的关键力量，有望重塑全球的能源地缘政治和经济格局[18]。
尽管氢气在能源转型中的作用已得到认可，但基于天然气（灰氢）和煤炭（黑氢）等化石能源的蒸汽甲烷重整工艺仍占据了全球氢气生产的76%以上[19]。虽然这两种工艺都基于成熟、成本效益高且效率高的技术，但由于其较高的温室气体排放量，它们带来了严重的环境问题[20,21]。蓝氢也是由化石燃料制成的，但它采用了碳捕获与封存技术来减少排放。
相比之下，利用可再生能源结合碱性电解法和质子膜交换法等技术来生产绿氢，是一种有望减少传统化石燃料生产方式所带来的环境影响的途径[22]。
通常，氢能系统主要从温室气体排放的角度来评估，因为减少排放是推动氢气发展的关键因素[23]。许多研究认为，由于生产过程会产生大量温室气体，应避免使用化石燃料制成的氢气[9,15,[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。然而，这种评价方式往往忽视了能源消耗和水资源消耗等其他重要的环境因素。
例如，有一些研究指出了可再生氢气系统在整个生命周期中大量的化石资源消耗问题，表明即使在生产绿氢的过程中，这些系统依然依赖于化石燃料[[31], [32], [33], [34], [35]]。因此，评估能源性能对于在减少对化石燃料依赖的同时提升能源利用效率至关重要。
另一方面，也有研究探讨了氢气生产过程中的水资源问题[[36], [37], [38], [39], [40]]。因此，全面评估氢气整个生命周期中的水资源压力，对于了解其对环境可持续性和水资源管理的潜在影响十分重要。
鉴于这些可持续发展指标之间的相互关联性，评估不同氢气生产路径的能源消耗量、水资源消耗量以及水资源短缺程度，再加上全球变暖潜力和其他指标，对于实现环境目标而言已经变得十分必要[5,[41], [42], [43]]。
虽然之前的研究已经探讨过氢能系统中的能源、碳元素和水资源之间的关系，但大多数分析都依赖于非区域化的数据集，或者只关注有限数量的路径或指标。例如，Henriksen等人[40]采用从源头到终端的生命周期评估方法，分析了美国境内的11种化石能源和可再生能源制氢路径的温室气体排放与水资源消耗之间的权衡关系。他们得出的结论是，温室气体排放量在-15到31千克二氧化碳当量/千克氢气之间，而每千克氢气的用水量则在7.0到3400千克之间。不过，他们的研究并未对化石能源的消耗情况进行评估。
同样，Elaouzy和El Fadar[5]通过文献综述强调了在氢气生产中进行综合评估的重要性，这种评估需要同时考虑温室气体排放、能源消耗、水资源需求以及氢气生产、储存、运输和最终使用阶段的成本。他们认为，仅依靠单一指标的分析无法实现对氢能系统的全面环境评估。
在另一项研究中，Silva和Capaz[43]也指出了在氢气生产系统的整个生命周期中同时评估温室气体排放、能源消耗和水资源使用的重要性，因为这些指标之间存在密切的关联。他们进一步认为，如果只评估单一的环境指标，就可能会得出有偏见的结论，进而偏袒某些特定的氢气生产路径。
Bourzgui等人[44]研究了通过电解法生产氢气过程中的能源与水资源之间的权衡关系。他们指出，在水资源匮乏的地区，水资源需求可能会加剧水资源紧张状况。不过，他们也提到，海水淡化技术或许能够帮助缓解这些地区的用水压力。
正是基于以上原因，本研究通过在巴西的特定条件下开展标准化的对比生命周期评估，运用该地区特有的数据以及统一的分析框架，对化石能源占比、温室气体排放量和水资源短缺程度进行了评估。这项研究通过全面分析这些因素，填补了相关领域的知识空白，有助于政策制定者为氢气生产行业设定更为宏大且全面的目标。
