基于固体氧化物电解池的绿氢生产：能量、?、?经济与?环境综合评估

《International Journal of Hydrogen Energy》：Green hydrogen production: Energy, exergy, exergoeconomic and exergoenvironmental perspectives using solid oxide electrolysis cells

　　

当前全球能源结构高度依赖化石燃料，随着全球能源需求逐年增长，温室气体排放加剧了气候变化。氢气在替代不可再生燃料方面具有巨大潜力，其优势包括无碳组成、高能量密度，且燃烧产物仅为水。氢气是工业及发电领域的重要原料。目前，氢气主要通过甲烷重整等不可再生途径大规模生产；然而，氢气也可通过水电解方式生产，且环境影响更低。当风能或太阳能等可再生源与电解技术结合时，所产氢气被称为绿氢。近年来，随着可再生源成本下降，绿氢成本也将降低，使其更具商业吸引力，同时有益于环境。 电解槽主要分为三类：碱性电解槽（AEC）、质子交换膜电解槽（PEM）和固体氧化物电解槽（SOEC）。AEC和PEM在低温电解（最高100?°C）中适用于绿氢生产。AEC已以低成本商业化，但与可再生源耦合时因间歇性导致效率较低。PEM正处于商业化增长期，可生产更高纯度氢气，且允许更小体积的电解槽，但其资本成本仍是挑战。AEC可达30?bar压力，PEM最高可达200?bar。对于高温电解（600–1200?°C），SOEC具有更高效率和更低能耗。SOEC的另一优势是可同时利用热能，从而降低成本；其劣势是高温导致材料退化。由于SOEC在全球范围内尚处早期运行阶段，已成为研究热点。 已有研究采用能量和?评估来识别SOEC的改进机会及主要损失来源。Zhang等人提出了一种由生物质气化炉、蒸汽发生器、海水淡化及SOEC制氢组成的能源系统，并对该系统进行了?经济研究，其中SOEC的?成本率仅为0.29美元/小时，而蒸汽发生器为30.08美元/小时。Wang等人对基于固体氧化物燃料电池（SOFC）和SOEC的联合生物质气化制合成气系统进行了?经济分析，SOEC的能量和?效率分别为78.5%和73.5%，成本率为100.1美元/小时，为系统中最高成本。Saleh-Abadi等人对SOEC耦合储能系统和CO?捕集过程的制氢系统进行了4E评估，发现提高SOEC运行温度可增加氢气产量，单位?成本降低；但其环境分析未采用Eco-indicator 99方法，也未按Meyer等人方法将环境影响与?破坏相关联。Wang等人对SOEC合成气生产系统进行了建模，热量和电力分别由抛物槽式太阳能集热器（PTSC）和光伏（PV）面板提供，其分析中SOEC组件成本率最高，为15.64美元/小时，?经济因子为89.56%。Mirbagueri等人对包含朗肯循环、太阳能塔和定日镜的系统进行了?经济评估，该系统产生电力和热量以驱动SOEC-SOFC；太阳能塔组件成本比最高，且与?破坏相关的成本为零；SOEC的相对成本差为107.8%，?经济因子为15.24%。Gao等人（2023）评估了太阳能辅助SOEC+SOFC合成气生产系统，SOEC的能量和?效率随阴极入口流量增加而降低。 在环境研究方面，Patik等人对SOEC进行了生命周期评价（LCA），涵盖风能、核能和燃料气等多种来源，指出SOEC制造所需材料数据稀缺，并表明电解是间歇性源最具前景的技术。Mahmud等人对光伏和电池进行了LCA，单晶硅光伏（mono-Si PV）在1?kWh负荷下获得21.69?mPt，铜铟硒光伏（CIS PV）为2.13?mPt，锂离子电池为4.82?mPt。Sadeghzadeh等人对包含SOEC、SOFC和朗肯循环的系统开展了?经济和?环境分析，SOEC成本率位居第二（7.35美元/小时），环境影响的相对差异最大（357.5%），但未提供组件环境影响的细节。Zhang和Zhang指出，主要电解槽研究的结果集中于能量和?效率及?经济分析。 Zainal等人指出，电解是吸热过程，需要持续的热能输入；然而，现有研究往往忽略SOEC电解槽的这一热量需求，导致对所需太阳能场规模的低估。因此，文献中关于SOEC绿氢生产的综合?经济和?环境评估仍存在显著空白。 本研究对由光伏面板和定日镜驱动的太阳能SOEC绿氢生产系统进行了全面的4E分析（能量、?、?经济和?环境）。通过将热力学效率与财务和环境成本相结合，基于?的方法相较于传统评估具有重大进步，可精确定位不可逆性和资源浪费的来源。尽管Cavalcanti等人此前已对该系统进行了能量和经济评估，但其经济分析仅限于氢的平准化成本（LCOH），未识别哪些组件具有最大的热力学或环境改进潜力。本研究进一步明确考虑了SOEC电池内吸热反应的热能需求。基于对系统设备（包括电解槽、光伏面板和锂电池组）的完整生命周期评价（LCA），本研究计算了所得绿氢的比成本和环境足迹。最终，本研究识别了?破坏的主要驱动因素，分离出性能最差的组件，并揭示了绿氢与传统燃料在单位能量环境影响方面的对比。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

当前全球能源结构高度依赖化石燃料，伴随全球能源需求逐年攀升，温室气体排放加剧了气候变化问题。氢气凭借无碳组成、高能量密度以及燃烧产物仅为水等优势，被视为替代不可再生燃料的重要候选能源。氢气既是工业重要原料，也可用于发电。目前工业大规模制氢仍以甲烷重整等不可再生途径为主，而通过水电解制氢则可显著降低环境影响。当电解技术与风能或太阳能等可再生源耦合时，所产氢气即为绿氢。随着可再生源成本持续下降，绿氢成本亦将降低，商业吸引力不断增强。

电解槽主要分为碱性电解槽（AEC）、质子交换膜电解槽（PEM）和固体氧化物电解槽（SOEC）三类。AEC和PEM为低温电解（最高100?°C），其中AEC已实现低成本商业化，但与可再生源耦合时因间歇性导致效率偏低；PEM正处于商业化增长期，可产高纯度氢气且体积更小，但资本成本较高。SOEC运行于600–1200?°C高温区间，具有更高效率和更低能耗，且可同时利用热能降低运行成本，但其劣势在于高温引起的材料退化。由于SOEC在全球尚处早期应用阶段，已成为研究热点。

已有研究多聚焦于SOEC的能量和?效率评估，部分研究开展了?经济分析。Zhang等人对含SOEC的生物质气化制氢系统进行?经济研究，SOEC的?成本率仅为0.29美元/小时。Wang等人对SOEC联合生物质气化系统的?经济分析显示，SOEC能量和?效率分别为78.5%和73.5%，成本率为100.1美元/小时，为系统最高。Saleh-Abadi等人对SOEC耦合储能与CO?捕集系统进行4E评估，发现提高运行温度可增加产氢量并降低单位?成本，但其环境分析未采用Eco-indicator 99方法。Wang等人对SOEC合成气生产系统的分析中，SOEC组件成本率最高（15.64美元/小时），?经济因子为89.56%。Mirbagueri等人对太阳能塔驱动SOEC-SOFC系统的评估中，SOEC相对成本差为107.8%，?经济因子为15.24%。环境研究方面，Patik等人对SOEC进行生命周期评价（LCA），指出电解是间歇性源最具前景的技术；Mahmud等人对光伏和电池进行LCA，获得单晶硅光伏21.69?mPt、铜铟硒光伏2.13?mPt、锂离子电池4.82?mPt的环境影响值；Sadeghzadeh等人对SOEC、SOFC和朗肯循环系统开展?经济和?环境分析，SOEC成本率7.35美元/小时，环境影响相对差异最大达357.5%。

然而，现有研究存在显著空白：Zainal等人指出电解为吸热过程，需持续热能输入，但多数研究忽略SOEC电解槽的热量需求，导致对太阳能场规模的低估；同时，缺乏对SOEC绿氢生产系统进行综合?经济和?环境评估的文献。Cavalcanti等人虽已对该系统进行能量和经济评估，但经济分析仅限于氢的平准化成本（LCOH），未识别各组件热力学或环境改进潜力。因此，本研究旨在开展全面的4E分析，明确SOEC系统?破坏的主要驱动因素，识别性能最差组件，并评估绿氢与传统燃料在单位能量环境影响方面的对比。

二、主要技术方法

研究人员对消耗3?MW电力、包含47个SOEC电解槽模块的绿氢生产系统进行分析。系统由离网光伏（PV）系统及锂电池组供电，定日镜太阳能场经太阳能塔提供热能，并配备冷热储罐。研究方法涵盖以下关键技术：?分析采用稳态控制体积法，通过物理?、化学?和总?流率计算各节点?值，并基于燃料?和产品?确定各组件的?效率与?破坏；?经济分析将?流与成本流耦合，计算各组件成本率、?经济因子及相对成本差；?环境分析采用Eco-indicator 99方法，将环境影响与?破坏关联，评估各组件环境影响率；生命周期评价（LCA）对SOEC电解槽、光伏面板和锂电池组进行全生命周期环境影响核算，计算绿氢的比成本和比环境足迹。

三、研究结果

能量与?分析结果：系统整体能量效率与?效率被量化评估，SOEC电解槽作为核心组件，其能量和?效率表现突出，但?破坏仍集中于高温电解过程及热交换环节。光伏面板和电池组因间歇性供电和储能损耗，构成?损失的重要来源。

?经济分析结果：各组件成本率及?经济因子被逐一计算。SOEC虽为系统核心，但光伏面板和电池组的成本率占比显著，成为降低绿氢成本的关键改进对象。部分组件相对成本差较大，表明其?经济性能有待优化。

?环境分析结果：基于生命周期评价（LCA）数据，各组件环境影响率被量化。光伏面板和锂电池组的环境影响贡献突出，其制造阶段材料获取和能耗是主要环境负担来源。SOEC电解槽的环境影响相对较低，但高温运行导致的材料退化间接影响其全生命周期环境表现。

绿氢成本与环境足迹：研究人员计算了绿氢的比成本和比环境足迹，并与传统燃料进行单位能量环境影响对比。结果表明，绿氢在单位能量环境排放方面显著优于化石燃料，但其成本仍受光伏和储能系统制约。

四、讨论与结论

讨论部分指出，光伏面板和电池组是系统?经济与?环境性能的主要薄弱环节，需通过材料替代、制造工艺改进及储能优化来降低绿氢成本与环境影响。SOEC高温运行虽提升效率，但材料退化问题需通过新材料开发解决。研究结论表明，绿氢在环境效益上具有显著优势，其单位能量环境影响远低于传统燃料；系统改进应优先聚焦光伏和储能组件，以实现绿氢成本与环境的双重优化。本研究通过综合4E分析，为SOEC绿氢生产系统的热力学、经济与环境协同优化提供了量化依据。