内容来源: 能源转化与储存
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原文链接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(24)00425-2
图文摘要：
研究简介：
在不断发展的可持续能源解决方案中，氢被认为是一种重要的能源载体，尤其是在储存可再生能源方面。本文研究对四种主要类型的电解槽进行了全面的生命周期评估（LCA），强调了它们在推进绿色制氢过程中的作用。通过评估各种电力来源和制造材料对环境的影响，为该领域做出了重大贡献。研究结果揭示了电解槽在能源系统中的潜力，并确定了提高其可持续性的机会。此外，研究还提供了一个详细的生命周期清单（LCI）数据库，丰富了制氢领域的资源。本研究强调了综合决策框架的必要性，该框架整合了技术、环境和材料因素，以促进电解槽技术在全球的应用和优化。
研究背景：
为了实现长期的能源安全和排放目标，欧洲正在转向更清洁和可再生能源。近年来，通过扩大可再生能源、提高能源效率以及投资能源储存和运输基础设施，人们为改善能源弹性付出了巨大努力。氢在 各种工业中，氢作为一种能源载体和多种工业流程中的基本分子发挥着关键作用。氢被用作化肥生产中合成氨的原料原油加工以及钢铁精炼中的冶金还原，该领域正在开展实地试验和试点工厂建设。传统上，哈伯-博施工艺是氢的重要消耗领域，约占氢总消耗量的25%。此外，石油精炼中的脱硫和甲醇合成也需要氢（分别占氢总消耗量的33%和10%）。此外，氢在住宅、工业和运输领域也有应用，有助于发电和供热。除了目前的用途，如果氢能能够从低碳能源中提取，它还有可能为能源转型做出贡献，并显著缓解气候变化（CC）。作为一种能源载体，氢能具有多种用途，可以压缩、液化或转化为甲烷等形态进行储存，因此是一种有价值的产品。氢能有助于间歇性可再生能源的储存，从而无需建造超大型发电装置，并减少对化石燃料发电的依赖。此外，氢气还可以作为车辆、住宅区和偏远地区的燃料。值得注意的是，与传统化石燃料相比，氢气具有许多优势，特别是在清洁燃烧方面。这使得污染和环境影响可以从使用点（例如市中心）转移到生产点，而生产点可以全面控制排放。
大规模生产氢气需要合成生产工艺。2019年，预计氢气总产量将达到9000万至9500万公吨，其中约三分之二为纯氢。氢气的主要生产来源是天然气（48%）、石油（30%）和煤炭（18%）。蒸汽甲烷重整是目前最主要的制氢方法，占工业部门排放量的7%，直接二氧化碳排放总量约为6.3亿吨。剩余氢气通过煤气化和汽油氧化等替代方法产生。在这些过程中，碳氢化合物与水和氧气发生氧化反应。剩余的4%氢气通过生物质气化、水电解（利用风能、太阳能或水能）和发酵等可再生资源产生。可持续的制氢方法之一是使用可再生能源电解（EL）技术。电解槽有多种类型，包括碱性电解槽（AEL）、阴离子交换膜（AEM）电解槽、质子交换膜（PEM）电解槽和固体氧化物电解槽（SOE）。质子交换膜、碱性电解槽和阴离子交换膜通常归类为低温电解技术，而固体氧化物电解槽则属于高温电解技术。碱性电解槽、阴离子交换膜、质子交换膜和固体氧化物电解槽的效率分别为60%、70%、73%和90%左右。
尽管欧洲电解行业在商业上已经相当成熟，某些技术已经可以应用于数兆瓦级规模，但该行业仍面临着来自竞争技术的重大经济挑战。此外，某些类型的电解槽的供应链分散，严重依赖关键原材料（CRM）。例如，欧洲严重依赖特定国家作为铂族金属和稀土元素（REE）等关键材料的供应商，正如欧盟委员会报告所述。南非是主要供应商，供应了71%的铂（Pt）和92%的铱（Ir），而刚果民主共和国供应了68%的钴（Co）。此外，俄罗斯在供应链中扮演着重要角色，供应了40%的钯（Pd），而中国是稀土元素的主要来源（98%）。
研究要点：
本文的研究要点详细阐述了氢气生产中电解槽技术的生命周期评估（LCA），并强调了其在实现可持续能源系统中的关键作用。研究首先对四种主要电解槽技术——碱性电解槽（AEL）、质子交换膜电解槽（PEM）、阴离子交换膜电解槽（AEM）和固体氧化物电解槽（SOE）进行了全面的环境影响评估，指出这些技术在推动绿色氢气生产方面的潜力。此外，研究强调了通过扩展可再生能源、提高能源效率以及投资于能源存储和运输基础设施来增强能源韧性的必要性。具体而言，研究指出，电解槽的效率分别为AEL约60%、AEM约70%、PEM约73%和SOE约90%，这表明不同技术在能量转换效率上的差异。研究还提供了详细的生命周期清单（LCI）数据库，以支持氢气的可持续性，并整合了退化、效率和使用寿命等因素，为未来的能源系统提供了重要的参考。最后，研究提出了构建一个综合决策框架的需求，以促进电解槽技术的全球采用和优化，帮助决策者在推动氢气生产的可持续发展方面做出明智的选择。这些发现为氢气生产社区提供了宝贵的资源，推动了对电解槽技术的深入理解和应用。
图 2：电解槽制造工艺树。
图 3：AEL LCA 贡献分析。
图 4：AEM 生命周期评估贡献分析。
图 5：PEM LCA 贡献分析。
图 6：国有企业生命周期评估贡献分析。
图 7：电解槽系统对气候变化的影响。
图 8：电解槽系统对人类健康的影响。
图 9：电解槽系统对生态系统质量的影响。
图 10：电解槽系统对非生物种群资源的影响。
图 11：使用不同的电解器和不同的电力来源生产 1 兆焦耳 H2 时的 CC 影响。
图 12：各种电解槽在不同降解条件下对 1 兆焦耳 H2 产量的 CC 影响：SoA、2024、2030 和 2050 年。
图 13：两种 AEM 电解槽的生命周期评估影响。
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