综述：从生态设计视角评估氢供应链：可持续性的挑战与机遇

《Environments》：Assessing the Hydrogen Supply Chain from an Eco-Design Perspective: Challenges and Opportunities for Sustainability

　　

氢（H₂）被广泛视为向低碳能源经济转型的关键能源载体，但其生产、储存和分配仍与显著的环境负担相关。研究人员从生态设计视角分析了整个低碳排放H₂价值链，综合了关于水分解技术（电解、热化学循环和光催化）、基于生物质的热化学和生物路径，以及新兴的天然（地质）氢气开采的最新生命周期评价（LCA）文献。环境性能以常规蒸汽甲烷重整和煤气化为基准，跨多个指标进行比较，包括全球变暖潜势（GWP）、陆地酸化、水资源短缺、矿物资源短缺和人体毒性。结果表明，没有单一路径是普遍可持续的。电解仍强烈依赖于电网组合，而生物质气化与碳捕集与封存（CCS）相结合可实现深度碳减排，但加剧了酸化问题。此外，光催化和生物路径显示出理论上较低的碳足迹，但仍受到较低技术就绪水平（TRLs）的严重制约。下游方面，在所综述的研究中，物理压缩显示出比化学载体更低的生命周期负担，管道网络优于其他运输模式；这两项发现均取决于所采用的距离、规模、压力和利用假设。最后，综合经济概览显示，环境热点与财务惩罚直接相关，最终决定了氢的平准化成本（LCOH）。本综述整合了关键的技术差距，强调了协调一致的LCA边界、多指标报告和主要工业数据的必要性，并提出了战略研究方向，以实现真正可持续的H₂经济，其中生态设计选择与本地化的能源、水和材料现实相匹配。

**1. 引言**

全球氢需求2023年超过9700万吨，2024年接近1亿吨；截至2024年5月，全球已宣布约1572个低碳排放氢项目，总投资6800亿美元，但仅约28%达到最终投资决策阶段。目前全球氢生产仍以化石燃料为主，天然气约占60%，煤气化占20%，低碳排放制氢不足1%。基于ISO 14006标准、欧洲生态设计指令与DfE指南，论文确立资源效率、能源效率、环境影响最小化、耐用性与可回收性设计、生命周期思维五项生态设计原则，并设定四个研究目标：综述低碳排放氢生产路径、基准化环境性能、识别全价值链生态设计热点与权衡、整合方法学与技术知识缺口。

**2. 方法论**

本综述采用叙述性综述方法，通过AI驱动的Discovery和Semantic Scholar平台及Google Scholar进行结构化检索，核心窗口为2020–2025年。初步检索获得约10万条记录，经标题和摘要筛选后约275篇，全文评估后最终纳入112篇同行评审研究（110篇期刊论文和2篇书籍章节）及21份技术报告与政策文件。纳入标准要求研究提供定量环境、能源或经济数据，并透明报告系统边界和功能单位。

**3. 低碳排放氢生产工艺**

**3.1. 水分解**

**3.1.1. 电解**

电解技术包括碱性电解（AEL）、质子交换膜电解（PEMEL）、固体氧化物电解（SOEL）和阴离子交换膜电解（AEMEL）。电网组合是决定电解氢环境足迹的最关键参数：化石能源电网下GWP可超过30 kg CO₂-eq/kg H₂，可再生能源供电时可低于1 kg CO₂-eq/kg H₂。电解需超纯水，操作水耗为18–24 kg H₂O/kg H₂，全厂平衡可达34.6 kg H₂O/kg H₂。材料方面，PEMEL依赖铂、铱、钛等关键原材料（CRMs），矿物资源稀缺潜势（MRSP）最高；AEL以镍为主。提高关键材料回收输入率（RIR）是重要改进方向。

**3.1.2. 热化学水分解**

热化学水分解循环（TWSCs）利用500–2500°C高温和化学试剂分解水，代表性循环为铜-氯（Cu-Cl）和硫-碘（S-I）。耦合可再生能源热源时GWP为0.94–1.02 kg CO₂-eq/kg H₂，但约90%排放来自太阳能子系统建设。腐蚀性中间化学品引发材料降解和人体毒性潜势（HTP）风险，技术处于TRL 3–4。

**3.1.3. 光催化水分解**

光催化制氢通过半导体光催化剂吸收光能产生电子-空穴对驱动水分解。LCA结果显示GWP差异显著（0.43–63.1 kg CO₂-eq/kg H₂），主要受催化剂合成能耗和牺牲剂影响。太阳能-氢能（STH）效率普遍低于3%，远低于10%商业化门槛，TRL为3–4。

**3.2. 生物质处理**

**3.2.1. 热化学过程**

生物质气化与热解将废弃物转化为含H₂合成气，转化效率（0.43–0.70）与SMR和电解相当。气化耦合CCS可实现负排放（-15.13至-14.6 kg CO₂-eq/kg H₂），但存在焦油生成、催化剂失活和原料异质性等问题，陆地酸化潜势（TAP）高于传统路径。物流与选址是规模化关键约束。

**3.2.2. 生物过程**

生物制氢包括光解水、光发酵、暗发酵和微生物电解池（MECs）。暗发酵与光发酵耦合理论上可达12 mol H₂/mol葡萄糖。GWP在0.7–21.8 kg CO₂-eq/kg H₂之间高度波动。预处理和气体纯化能耗高，产率低限制工业应用。

**3.3. 天然氢生产**

天然（地质）氢通过蛇纹石化、辐射分解、岩石断裂、岩浆脱气和生物过程生成，目前唯一报告的持续生产井为马里Bourakebougou井（纯度约98%）。开采可能干扰水文循环并产生H₂S等有毒气体，需战略性选址。

**4. 比较分析与生态设计权衡**

各路径均存在权衡：高成熟度电解受关键材料供应链约束；生物质路径受物流与预处理能耗限制；TWSCs和天然氢降低外部电力需求，但面临腐蚀与生态毒性风险。LCA结果因系统边界、功能单位与电网地域差异而难以直接比较，需结合本地资源禀赋选择技术组合。

**5. 氢储存**

**5.1. 物理基储存**

压缩储氢能量损失约10%，液化能耗超过H₂能量的30%。I型钢瓶适合固定应用，IV型复合材料瓶在移动应用中排放较低。

**5.2. 材料基储存与化学载体**

化学吸附（金属氢化物、LOHCs等）与物理吸附（MOFs、多孔碳）各有优劣。压缩氢路径（2.67 kg CO₂-eq/kg H₂）环境表现优于液态氢、氨和甲醇路径。

**5.3. 大规模与地下储存**

盐穴和枯竭油气藏可缓解季节波动，但面临氢脆、盐水处理及地理可达性限制。

**6. 运输与配送**

**6.1. 管式拖车压缩氢**

适用于短距离（200–300 km），最大运量540 kg/拖车，有效载荷仅约1%。

**6.2. 低温液态槽车**

可运输约4000 kg H₂，航程4000 km，需高效绝热防止蒸发损失。

**6.3. 管道**

管道运输在高吞吐和短中距离下环境足迹最低（约1.5 kg CO₂-eq/kg H₂），但全球仅约5000 km氢管道。天然气掺混（5–15%）可短期利用现有设施，但需额外分离步骤。

**7. 氢成本**

电解槽设备约占生产平准化成本（LCOH）的55–65%，电力消耗是最大成本驱动因素。环境热点与经济成本直接关联：关键材料同时推高资本支出和碳足迹。

**8. 研究缺口与未来方向**

主要缺口包括：LCA边界不统一、非GWP指标报告不足、缺乏主要工业数据、低TRL路径评估框架缺失。未来需整合TEA-LCA和LCSA等综合方法于统一生态设计框架。

**9. 结论**

没有单一路径是普遍"绿色"的。四项生态设计优先事项：电网脱碳或专用可再生能源供电、通过减量化和回收降低关键原材料依赖、优先直接利用H₂避免累积能耗惩罚、协同评估环境与经济竞争力。