原文题目：Worldwide greenhouse gas emissions of green hydrogen production and transport

题目译名：全球绿氢生产和运输的温室气体排放

期刊名称：Nature Energy2024年影响因子/JCR分区：49.7/Q1

发表时间：2024年

作者信息：Kiane de Kleijne, Mark A. J. Huijbregts, Florian Knobloch, Rosalie van Zelm, Jelle P. Hilbers, Heleen de Coninck, Steef V. Hanssen

1、Abstract

大规模应用绿氢在实现温室气体净零排放方面发挥重要作用。然而，绿氢的生产和运输本身并不是没有排放的。本文评估了72个国家1025个项目中的绿氢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。研究证明，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，绿氢很容易达到排放标准。评估不同的制氢方式，发现最乐观配置每千克H2产生2.9 kgCO2。1000公里的管道运输或液氢运输，每千克H2分别增加1.5、1.8 kgCO2。结果显示，大规模实现绿氢低排放需要精心选择生产设备，并在整个供应链中的排放大幅减少。

2、Main

氢将成为向净零温室气体(GHG)排放社会过渡的重要因素。作为电气化的替代，氢可以促进工业、运输和能源系统的脱碳发展。目前，基于化石燃料的氢能市场每年为1亿吨，预计到2050年将扩大到使用可再生电力电解产生的3-8亿吨/年的绿氢，以及通过蒸汽甲烷重整结合碳捕获和储存产生的高达2亿吨/年的蓝氢。在可再生电力和水足够丰富的地区，绿氢可以被生产、转化并出口到生产成本更高或生产受限的国家，最终将氢及其衍生物转化为国际贸易商品。欧盟和日本的氢能战略中，氢能进口在实现减排目标方面将发挥越来越大的作用，而其他国家，如澳大利亚、毛里塔尼亚和智利，则将自己定位为氢出口国。

为了量化生产氢的温室气体排放，国际能源署(IEA)和大多数法规和认证系统将可再生电力使用分配为零排放，不包括设备制造的排放，产生0公斤二氧化碳。然而，从生命周期的角度来看，制氢排放并非零，取决于发电技术、电解槽技术和制氢设备。通过管道或船舶运输氢，以及将氢转化为更容易运输的衍生物（如：氨）会产生额外的排放。如果不能实现对绿氢供应链的快速发展，全球气候目标就会受到威胁，因此迫切需要明确不同的步骤如何在不同的技术和不同地区，以及哪些因素的组合将导致世界各地的绿氢项目实现低排放。

本文考虑了整个生产、转化和运输链，量化了绿氢的温室气体排放。分析了2030年全球72个国家1025个项目的不同电解槽技术和电力来源的绿氢温室气体排放。研究发现，不同电力来源的温室气体排放差异很大。从整个生命周期的角度来看，只有有限份额的潜在绿氢生产符合排放阈值，如欧盟可持续性分类(21%-85%)或美国清洁氢标准(23%-95%)。根据运输方式和距离的不同，绿氢运输到最终用户大幅增加温室气体排放。

3、GHG emissions of green hydrogen production

为电解槽供电的发电通常是生产排放的最大贡献者(图1)，除非使用多余的电力，其中使用电力被认为是零排放。太阳能光伏发电的生命周期温室气体排放量超过风力发电，这是因为太阳能电池板制造过程中的温室气体排放量更高。加热、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一小部分。制造排放分布在电解槽寿命期间产生的氢气总量上，意味着当使用间歇性可再生能源时，与连续制氢相比，它们大约是其两倍（图1）。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。

根据制氢设备和电力来源的不同，项目中绿氢的温室气体排放量在0.3-36.5 kgCO2（图2）。

相同可再生电力来源的氢项目之间的排放差异主要是由于区域和可再生电力的差异（图3）。由于能源设施生命周期内总发电量较大，可再生电力的排放量在太阳辐照或风速高的地区最低，因此每千瓦时的排放量较低。除赤道附近地区外，大多数地区在“电力输出”配置中使用风力发电的制氢排放量低于3.0 kgCO2。在南美洲，使用太阳能发电的生产排放仅在非常局部的地区保持在这一阈值以下。在欧洲，基于太阳能生产排放比南美洲高36%。“电力进口”配置中的排放取决于当地可再生能源的容量因素和2030年国家电网混合的模拟温室气体强度。

4、GHG emissions of green hydrogen conversion and transport

随着绿氢有望成为一种国际贸易商品，其生命周期排放也应包括其生产和运输过程中的排放。在对氢运输的分析中，除了完全由电网供电的项目，本文使用了间歇性可再生能源的“电力输出”配置。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(图4)。

将绿氢的运输纳入生命周期排放计算对于运输方式选择和生产地点之间依赖电力的权衡至关重要。一般来说，风力发电比太阳能发电的排放量要低得多。然而，在特定的（取决于运输方式的）距离之外，风能氢的排放超过了生产的太阳能氢(图5)。在太阳辐射较少的地方以高排放接近需求的方式生产太阳能氢，还是在太阳辐射较高的地方以低排放的方式生产氢，然后将其运输。由于与运输相关的排放，只有在运输距离不超过2000公里的情况下，从最佳太阳能地点运输才能与当地生产竞争。例如，在欧洲低辐照地点生产的排放量仍然低于从南美高辐照地点进口的排放量。由于生产排放的差异太小，无法弥补运输排放，即使在最佳风力位置生产氢气，然后运输到风力潜力最低的地方，风能氢的长途运输也总是导致比当地风能生产更高的排放。

5、Discussion and conclusions

本文研究结果表明，需要努力降低绿氢生产的排放，包括电解槽、储存基础设施和可再生能源技术的制造。研究使用盐穴储氢可以为储氢罐提供一种经济和环境上有益的替代方案，尽管这取决于这些盐穴是否靠近氢气生产基地。虽然上游供应链的大部分可能超出了氢生产标准的可行范围，但在关于如何促进氢市场增长的政策讨论中，例如在氢进口战略的背景下，考虑隐含的排放和权衡是很重要的。虽然某些生产过程(如炼钢)的排放已经被其他政策(如欧盟排放交易计划)所涵盖，但这只适用于某些司法管辖区。这可以证明他们在氢标准方面的平行考虑是合理的，特别是在全球氢贸易方面。此外，提高电解槽效率和运行时间，提高氢气转化和再转化效率，避免运输和储存过程中的损失，或通过将工业与氢气生产共同定位来减少运输，都是值得探索的途径。