利用废弃物资源生产的氢气的生命周期温室气体排放：来自韩国案例的见解

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Life cycle greenhouse gas emissions of hydrogen produced from waste resources: insights from the South Korean case

　　

摘要

像韩国这样的能源进口国正在越来越多地探索将废物转化为氢气的方式，以减少对进口能源的依赖并降低温室气体（GHG）排放。本研究对从韩国废物流中生产氢气的主要途径进行了生命周期评估，特别考察了热化学过程（气化、等离子气化和热解）和生化过程（填埋和厌氧消化）。为了反映实际的废物管理实践，分析中还包括了由于替代传统处理方式（包括焚烧、发电和热能生产）而避免的排放。结果显示，将固体废弃物和混合塑料废物从发电转向氢气生产可以显著减少排放。尽管填埋气和沼气在生物源二氧化碳（CO₂）排放方面被认为是碳中性的，但将其从当前用于热能和发电的用途中移除需要化石燃料来替代被取代的能量，这可能会增加净生命周期温室气体排放。通过整合碳捕获和储存（CCS），几种基于废物的氢气生产途径在温室气体强度方面优于进口的天然气制氢，尽管某些途径仍超过清洁氢气认证标准（4 kg-CO₂-eq./kg-H₂）。使用阶段的分析进一步表明，只有当生命周期排放低于特定行业的盈亏平衡值时，基于废物的氢气在环境上才具有竞争力：对于车辆来说为11.9 kg-CO₂-eq./kg-H₂，对于发电为8.6 kg-CO₂-eq./kg-H₂，对于钢铁生产为15.8 kg-CO₂-eq./kg-H₂。总体而言，这些发现表明，基于废物的氢气可以在不同的国家背景下作为一种可行的低碳供应选择，尤其是在与CCS结合并在国家废物管理系统中战略性地整合使用时。

引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告（AR6）预测，按照目前的趋势，到2040年全球平均表面温度将上升1.5°C。为了限制这种升温，报告强调了实现净零温室气体（GHG）排放的必要性[1]。净零意味着总二氧化碳（CO₂）排放和去除量（以二氧化碳当量（CO₂-eq.）计算）相互抵消。因此，主要国家已经宣布了碳中和目标，强调了减少依赖化石燃料的能源部门排放的重要性，并强调了氢经济的作用。韩国预计到2050年对氢气的需求将达到约2700万吨，占最终能源需求的22%[2]。因此，开发环保且高效的氢气供应解决方案对于实现碳中和至关重要。为此，韩国引入了清洁氢气认证系统，为氢气生产途径设定排放标准，并提供制度和财政支持。清洁氢气的标准设定为从井口到Gate（WtG）的排放量为4 kg-CO₂-eq./kg-H₂，这考虑了国际趋势和技术能力，同时要求氢气纯度达到99%，压力为3 MPa[3]。

由于几个直接影响生命周期温室气体结果的国家特定因素，韩国是进行废物转化为氢气生命周期评估（LCA）的一个特别相关的案例研究，这些因素包括其完善的国家级废物分类系统、碳密集型电力网和清洁氢气认证标准，这些因素共同强烈影响了避免排放的计算和途径的竞争力。这些方法论和背景特征使韩国成为一个合适的参考案例，而分析框架和发现普遍适用于任何希望将基于废物的氢气作为其脱碳策略一部分的国家。在这种情况下，基于废物的氢气已成为提高资源循环利用、减轻废物管理负担和减少温室气体排放的有前景的选择。韩国产生了多种废物流，包括城市固体废物（MSW）、食物废物（FW）、牲畜粪便（LM）和污水污泥（SS），这些都可以作为热化学和生化制氢的原料。其中，MSW的可燃部分被加工成固体废弃物燃料（SRF），可以生产成蓬松状或颗粒状[4]。在这项研究中，蓬松状SRF被选为热化学制氢的代表性原料，其使用量是颗粒状SRF的四倍以上[5]。有机废物流，包括FW、LM和SS，通常通过厌氧消化（AD）处理[6]。尽管集成AD系统可以共同消化混合有机废物，但本研究将FW、LM和SS视为单独的AD途径，以便对生化途径进行一致和透明的比较。因此，本研究提供了从SRF和混合塑料废物（MPW）通过热化学方法（气化和热解）、从填埋废物（LFW）通过利用填埋气以及通过AD从FW、LM和SS制氢的全面评估。

许多研究从不同角度探讨了基于废物的氢气生产；然而，许多研究受到系统边界限制或途径覆盖范围狭窄的影响。表1比较了以往研究的LCA范围与本研究的范围。例如，[7]研究了塑料气化制氢，而[8]分析了基于AD的制氢。[9]展示了选定的生化途径的LCA，但没有研究热化学方法，尽管实际上只有17%的MSW废物被填埋，而超过75%的废物被焚烧或用于能源回收[10]。因此，现有研究缺乏对所有废物类型和转换技术的全面比较。此外，一些研究（例如[7]、[11]、[12]）部分纳入了与废物处理相关的避免排放，但通常假设填埋是主导基线，从而忽略了韩国当前废物管理实践的多样性。

本研究不仅分析了氢气生产，还评估了氢气的利用，实现了对基于废物氢气的环境竞争力的行业特定评估，这是本研究的关键贡献之一。以前的研究已经调查了氢气在各个行业的环境性能：例如，[15]评估了车辆运行，[16]评估了基于氢气的发电，[11]研究了氢气在钢铁生产中的应用。特别是，先前的研究报告称，与基于蒸汽甲烷重整（SMR）的氢气相比，用于燃料电池汽车的基于废物的氢气可以减少高达0.6 kg-CO₂-eq./km的排放[15]。然而，这些研究没有始终考虑燃料替代所避免的排放，也没有准确反映实际的基线废物处理方法，从而阻碍了跨行业确定净环境效益。

总体而言，这些观察揭示了以往研究中的三个持续存在的差距：（1）缺乏对多种基于废物制氢途径的全面比较，（2）对现有废物处理方法及其相关避免排放的考虑有限，（3）对关键行业中氢气使用阶段的排放评估不足。为了解决这些差距，本研究对韩国的八种热化学和生化基于废物的氢气生产途径进行了全面的比较LCA。分析详细核算了废物处理替代方案所避免的排放，并将系统边界扩展到包括其在三个主要应用中的使用：车辆运行、发电和钢铁制造。通过将基于废物的氢气与传统氢气生产途径及行业特定的盈亏平衡温室气体强度进行基准测试，本研究确定了最环保的途径，并提出了废物和氢气行业减排的策略。

本文的结构如下。第2节描述了方法论框架和系统边界。第3节展示了LCA的结果，第4节分析了所生产的氢气在车辆运行、发电和钢铁生产部门中的使用相关的排放。最后，第5节总结了研究的主要结论。

章节片段

目标和范围定义

本研究的目标是对代表性的基于废物的氢气生产途径进行全面的温室气体（GHG）排放评估，旨在确定符合韩国清洁氢气认证标准的途径，并提出温室气体减排策略。研究范围涵盖上游过程、氢气生产以及后续的运输和压缩过程。分析重点是燃料循环，排除了

结果

第3.1节分析了传统废物利用途径的LCA结果。第3.2节介绍了韩国基于废物的氢气生产途径的排放情况，这些排放考虑了当前的废物处理方法。随后，将这些排放与清洁氢气认证标准和其他氢气供应链进行了比较。

氢气利用

本节分析了与氢气利用过程相关的排放，并评估了基于废物的氢气的环境竞争力。具体来说，4.1节讨论了车辆运行，4.2节讨论了发电，4.3节讨论了钢铁生产，比较了基于废物的氢气在车辆运行、发电和钢铁制造中的生命周期温室气体排放与传统方法相比的情况。

结论

本研究通过选择韩国作为代表案例，评估了能源进口国的基于废物的氢气生产途径的生命周期温室气体（GHG）排放，涵盖了热化学和生化技术，并考虑了替代废物处理和替代燃料使用所避免的排放。将之前用于发电的废物转向氢气生产可以降低净排放量，低于用于热能生产的排放量。

CRediT作者贡献声明

Gyuna Kwak：撰写——初稿、调查、正式分析、概念化。Yehyeong Lim：调查。Wonjae Choi：撰写——审稿与编辑、监督。

资金支持

本研究得到了韩国基础设施技术促进机构（KAIA）的资助，该机构由韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助（-->RS-2025-02982993-->、-->RS-2026-25493107-->）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

Gyuna Kwak|Yehyeong Lim|Wonjae Choi

Ewha Womans大学机械与生物医学工程系，52, Ewhayeodae-gil, Seodaemun-gu, 首尔 03760, 韩国