1 摘要
预计绿色氢的大规模引入将在实现温室气体净零排放方面发挥重要作用。然而，绿色氢的生产和运输本身并不是没有排放的。在这里，我们评估了72个国家1025个计划中的绿色氢设施的生命周期温室气体排放，涵盖了不同的电解槽技术和可再生电力来源。我们证明，目前在法规中排除了可再生能源的生命周期排放、组件制造和氢泄漏，给人一种错误的印象，即绿色氢很容易达到排放门槛。在评估不同的氢气生产配置时，我们发现，即便是最乐观的配置，其氢气生产的中位排放量也为2.9千克二氧化碳当量（CO2e）/千克氢气，如果再包括通过管道或液态氢运输1000公里的排放，分别会增加1.5或1.8千克CO2e/千克氢气。我们得出的结论是，大规模实现低排放的绿色氢需要精心选择的生产配置，并在供应链上大幅减少排放。
背景
预计绿色氢的大规模引入将在实现温室气体净零排放方面发挥重要作用。然而，绿色氢的生产和运输本身并不是没有排放的。从生命周期的角度来看，制氢排放远非零，并取决于发电技术、电解槽技术和制氢配置（即不同组件的相对规模和电网集成类型）。此外，通过管道或船舶运输氢气以及氢气转化将产生额外的排放。
本研究量化了考虑整个生产、转化和运输链的绿色氢的温室气体足迹。由于排放将取决于当地情况，我们分析了2030年全球规划的1,025个绿色氢设施的温室气体足迹，涵盖72个国家的不同电解槽技术和电力来源。
研究发现：
（1）不同电力来源和项目配置的温室气体足迹差异很大；
（2）从整个生命周期的角度来看，只有有限份额的潜在绿色氢生产符合排放阈值，如欧盟可持续性分类（21-85%）或美国清洁H2标准（23-95%）；
（3） 根据运输方式和距离的不同，绿色氢运输到最终用户会大大增加温室气体足迹。
主体内容
（一）绿色制氢的温室气体排放
根据国际能源署氢项目数据库（IEA hydrogen Projects Database）中记录的电解槽特定的水、能源和材料需求以及电力来源，本研究计算了特定项目的氢生产过程的温室气体排放量。本研究使用基于气象条件的各国可再生电力温室气体足迹、针对设施类型的水电足迹和针对2°C政策情景建模的2030年国家电网混合。
本研究考虑了三种具有不同相对组件尺寸和电网集成的制氢配置，如下表。
为电解槽供电的发电是生产排放的最大贡献者。太阳能光伏发电的温室气体排放量超过风力发电，因为与风力涡轮机相比，太阳能电池板制造过程中的温室气体排放量更高。产热、海水淡化、电解槽和电池制造产生的温室气体排放通常只占生产排放总量的小部分。此外，当用电过剩时，较低的利用率会导致电解槽制造过程中更高的排放（图1d）。
根据制氢配置和电力来源的不同，绿色制氢的温室气体排放量在0.3至36.5 kgCO2ekgH2−1之间。在“离网：弃电”配置中，生产过剩的电力没有得到补偿，导致排放量高于“并网：电力输出”配置，在“并网：电力输出”配置中，这种盈余得到补偿，相关排放没有分配给氢气。由于使用电网电力实现连续运行，“并网：电力进口”配置中的排放量最高。在这里，71%的陆上风电和88%的太阳能项目的生产排放超过灰氢，而海上风电由于其更高的容量系数，排放更低。
（二）绿色氢转化和运输的温室气体排放
本研究考虑了技术上最成熟和最具成本效益的氢运输方案:(1)管道；(2)运输液态氢，然后在目的地再气化；(3)转化为氨和运输，在目的地再转化（“裂解”）为氢。
在短距离运输方式中，管道运输的排放量最低。相反，对于5000公里的运输，管道导致的排放中值最高（图4b）。排放的急剧增加是由于大约每125公里对气态氢进行再压缩以保持管道沿线的压力，并且每次压缩估计损失0.5%的氢。
运输液氢比运输已转化为氨并在目的地重新转化的氢（“裂解”）造成的排放更少。液氢在500-20,000公里的距离上的排放量为1.7-4.9 千克CO2e/千克氢气，氨在500 - 20,000公里的距离上的排放量为4.2-6.1千克CO2e/千克氢气（中位数）。
结论与讨论
目前的法规有一个很大的盲点：将可再生电力计算为零排放（例如，欧盟授权法案第27条REDII），不包括组件制造和泄漏的排放（例如，美国清洁H2标准）。
包括生命周期的温室气体排放表明，在整个供应链中，用于制氢的电力必须具有较低的温室气体强度。只要电网尚未完全脱碳，使用电网的电力，即使只是作为间歇性可再生能源的补充，也可能导致排放量超过灰氢生产的排放量，从而破坏此类项目的气候缓解潜力。因此，对于并网绿色氢项目来说，确保可再生能源设施的附加性至关重要。如果没有严格执行的额外措施，电解槽实际上会在平均电网结构上运行，并产生相关的排放。
区分不同类型的可再生能源是很重要的：在大多数地区，利用太阳能发电生产氢气将超过排放阈值，而基于水力发电或风力发电的生产则不会。只要太阳能电池板、风力涡轮机、电解槽和电池（部分）的制造过程依赖于化石能源，氢的生产就总是会产生排放。
此外，氢在生命周期内的排放量会因运输而大大增加，这取决于运输方式和距离，以及是否能将沿途的损失降到最低。在离需求更近的地方生产，通常比在气候条件有利、排放更低的偏远地区生产的效益要好。因此，运输排放是了解不同地点的利益和权衡的关键，应在系统标准边界中加以考虑。
论文信息：
标题：Worldwide greenhouse gas emissions of green hydrogen production and transport
期刊：Nature energy
发表时间：2024年6月
作者：Kiane de Kleijne, Mark A. J. Huijbregts，Florian Knobloch，Rosalie van Zelm, Jelle P. Hilbers, Heleen de Coninck & Steef V. Hanssen
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编辑：潘小飘
审核：邓京
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