制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

摘要：氫氣既是理想高效的清潔能源，又是用途廣泛的化工原料。以傳統(tǒng)能源制氫為主導(dǎo)的制氫產(chǎn)業(yè)具有高能耗高污染的弊端，在資源環(huán)保問題日益突出的當(dāng)下，全方位對(duì)比研究各類制氫技術(shù)的優(yōu)劣特征，為制氫產(chǎn)業(yè)提供健康發(fā)展的技術(shù)路線顯得尤為重要。本文主要以傳統(tǒng)制氫技術(shù)（煤氣化制氫、天然氣制氫等）和新型制氫技術(shù)（熱化學(xué)制氫、可再生能源發(fā)電制氫、生物質(zhì)氣化制氫等）為對(duì)象，對(duì)其生命周期評(píng)價(jià)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。論文首先介紹了生命周期評(píng)價(jià)的研究過程和思路，闡述了各類制氫技術(shù)的基本原理和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)研究了各類制氫技術(shù)的能耗和溫室氣體釋放數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合生命周期成本分析，歸納了各制氫技術(shù)的制氫成本。論文通過分析各類制氫技術(shù)的優(yōu)劣性，總結(jié)得出新型制氫技術(shù)具有優(yōu)秀的節(jié)能環(huán)保性，但制氫成本較高。其中，風(fēng)電制氫技術(shù)的環(huán)保性最佳，而核能熱化學(xué)制氫在未來具有大規(guī)模應(yīng)用的潛力。根據(jù)當(dāng)前制氫格局的發(fā)展?fàn)顩r和各類制氫技術(shù)的特點(diǎn)，論文最后作出了關(guān)于制氫技術(shù)發(fā)展的前景展望。

關(guān)鍵詞：制氫；再生能源；生命周期評(píng)價(jià)；溫室氣體；能耗

     氫氣作為理想的清潔能源，是未來能源發(fā)展格局中的關(guān)鍵組成部分。氫氣也是一種重要的化工原料，在合成氨和石油煉制等行業(yè)都有大規(guī)模的應(yīng)用。來自Persistence市場(chǎng)研究公司的一份報(bào)告顯示，全球氫氣需求總量將從2013年的2553億立方米增至2020年的3248億立方米，增幅達(dá)27.2%，可見氫氣需求量增長(zhǎng)迅速。

     氫氣在自然界中不以分子形式存在，獲取氫氣需要通過一定的技術(shù)手段從含有氫元素的水或碳水化合物中轉(zhuǎn)化得到。目前全球約96%的氫氣制備來源于傳統(tǒng)化石能源，其中天然氣蒸汽重整制氫占48%、石腦油重整制氫占30%、煤氣化制氫占18%。傳統(tǒng)化石能源制氫技術(shù)存在高污染高能耗的缺陷，隨著世界相關(guān)環(huán)保法規(guī)要求的日趨嚴(yán)格，基于可再生能源利用和核能利用的新型制氫技術(shù)越來越受到重視。新型制氫技術(shù)，包括基于水電解反應(yīng)的可再生能源發(fā)電制氫、生物質(zhì)氣化制氫、核能熱化學(xué)制氫等。無論是傳統(tǒng)制氫技術(shù)還是新型制氫技術(shù)，氫氣的生產(chǎn)過程必然伴隨著一定的物耗和能耗，從而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。只有充分認(rèn)識(shí)氫氣制備過程中各環(huán)節(jié)的影響，才能客觀評(píng)價(jià)各類制氫技術(shù)的環(huán)保效益。

     生命周期評(píng)價(jià)是研究產(chǎn)業(yè)環(huán)保效益的有效工具，在全球各領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外各類制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)研究進(jìn)行綜述，圍繞能耗和溫室氣體釋放當(dāng)量?jī)蓚€(gè)特征指標(biāo)，評(píng)估對(duì)比各類制氫技術(shù)的總體特征，總結(jié)得出制氫產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展前景。

1生命周期評(píng)價(jià)理論

     生命周期評(píng)價(jià)是匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品（或服務(wù)）體系在整個(gè)壽命周期內(nèi)所有投入、投出及其對(duì)環(huán)境直接造成或潛在影響的方法。從生命周期評(píng)價(jià)的全局思路而言，它首先辨識(shí)和量化目標(biāo)產(chǎn)品在其整個(gè)生命周期中的能耗、資源消耗量以及對(duì)環(huán)境的釋放量，然后評(píng)價(jià)這些消耗和釋放造成的影響大小，進(jìn)而提出改善意見，得出相關(guān)結(jié)論。目前生命周期評(píng)價(jià)的方法還處在研究和發(fā)展階段，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO將生命周期評(píng)價(jià)的過程分為互相聯(lián)系、不斷重復(fù)進(jìn)行的4個(gè)步驟，即目的與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋，這是目前進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)活動(dòng)采用的主流方法。生命周期評(píng)價(jià)對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程具有重大意義。

     制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)，主體思路是評(píng)估從氫氣制備到氫氣成品儲(chǔ)運(yùn)過程的生命周期影響，其研究開展過程是通過匯總所有涉及到制氫技術(shù)流程的清單數(shù)據(jù)，綜合得出對(duì)應(yīng)制氫技術(shù)的影響情況，并根據(jù)影響結(jié)果總結(jié)評(píng)價(jià)意見。

2制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)

2.1煤氣化制氫

     煤氣化制氫是指煤與水蒸氣在一定溫度壓力條件下發(fā)生反應(yīng)而得到合成氣，再通過對(duì)合成氣中CO的轉(zhuǎn)化處理，將合成氣全部轉(zhuǎn)化為氫氣的技術(shù)。煤氣化制氫技術(shù)在我國(guó)有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，目前主要存在污染嚴(yán)重等環(huán)保問題。煤氣化制氫需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，從設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行等方面全面提高技術(shù)水平，才能順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求。關(guān)于煤氣化制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)體系和相關(guān)工作較為成熟，這也為煤氣化制氫技術(shù)的升級(jí)提供了理論指導(dǎo)。

     目前成熟的煤氣化制氫工藝指將煤運(yùn)輸?shù)綒饣癄t內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)制氫的過程。煤氣化制氫的生命周期，包含煤的獲取、煤的運(yùn)輸、氫氣制備與收集、氫氣的運(yùn)輸4個(gè)流程。

     安大略理工大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的CETINKAYA等組成的團(tuán)隊(duì)專門研究各類制氫技術(shù)的溫室氣體釋放量，研究成果在業(yè)內(nèi)具有一定的認(rèn)可度。該團(tuán)隊(duì)采用生命周期評(píng)價(jià)理念，針對(duì)煤氣化制氫技術(shù)，從煤的開采到氫氣的加工制備進(jìn)行了清單分析，得出制氫規(guī)模為284噸氫氣/天的煤氣化制氫系統(tǒng)溫室氣體釋放當(dāng)量為11299.18gCO₂/kgH₂，該系統(tǒng)不采用二氧化碳捕集單元；西安建筑科技大學(xué)的李奕陽以無煙煤為研究對(duì)象，通過生命周期評(píng)價(jià)方法探索了我國(guó)煤地面氣化制氫技術(shù)的能耗情況。該研究將煤氣化制氫過程的能耗分為總物耗對(duì)應(yīng)能耗、生產(chǎn)氫氣能耗（滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)的電力需求）和末端環(huán)節(jié)的能耗，結(jié)果表明無煙煤氣化制氫系統(tǒng)的總折算能耗為321.9MJ/kgH₂。

     波蘭克拉科夫AGH科技大學(xué)的BURMISTRZ等組成的研究團(tuán)隊(duì)致力于實(shí)際制氫項(xiàng)目的整體效益研究，該團(tuán)隊(duì)用生命周期評(píng)價(jià)思路對(duì)比了Shell和Texaco/GE公司兩種煤氣化制氫工藝的影響情況，綜合評(píng)判煤氣化制氫工藝的具體效益。兩家公司均采用地面加壓氣流床氣化制氫手段，不同點(diǎn)主要在于煤樣的選擇和預(yù)處理工藝。Texaco/GE的工藝采用水煤漿預(yù)處理技術(shù)，即先將煤樣與水混合制成水煤漿后，再進(jìn)入加壓氣流床進(jìn)行氣化反應(yīng)；Shell的工藝采用煤粉預(yù)處理技術(shù)，向氣化反應(yīng)爐輸送干煤粉燃料，之后再與蒸汽、空氣發(fā)生氣化反應(yīng)。兩個(gè)系統(tǒng)均加入了二氧化碳捕集單元，制氫效率均為85%，評(píng)價(jià)結(jié)果整理如表1所示。

     根據(jù)上述研究結(jié)果得出，煤氣化制氫的能耗為190～325MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為5000～11300gCO₂/kgH₂。總體而言，煤氣化制氫技術(shù)能耗高，對(duì)環(huán)境也不夠友好。通過對(duì)比上述案例可發(fā)現(xiàn)，在煤氣化制氫系統(tǒng)中，采用二氧化碳捕集設(shè)備可大大減少二氧化碳的直接排放，對(duì)系統(tǒng)的環(huán)保效益產(chǎn)生積極影響。但是，加入二氧化碳捕集裝置無疑也會(huì)造成較大的能耗，降低了制氫系統(tǒng)的能源利用率；同時(shí)，二氧化碳捕集單元的建設(shè)成本較高，這對(duì)制氫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)帶來不良影響，容易打擊制氫企業(yè)的投入積極性。二氧化碳捕集技術(shù)的發(fā)展方向應(yīng)該朝著低能耗低成本的方向進(jìn)行，這樣才能為煤氣化制氫技術(shù)的環(huán)保效益帶來實(shí)質(zhì)性推動(dòng)。

2.2天然氣制氫

     天然氣制氫技術(shù)較為成熟，產(chǎn)氫率高，是目前最常用的制氫技術(shù)。甲烷是天然氣中的主要?dú)怏w成分，天然氣制氫技術(shù)的主體依托于各類甲烷轉(zhuǎn)化制氫反應(yīng)。甲烷轉(zhuǎn)化制備氫氣有兩種思路原理：一種是先將甲烷與水蒸氣在一定反應(yīng)條件下反應(yīng)生成合成氣，再將合成氣中的CO成分進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而制得高純度氫氣，即甲烷水蒸氣重整技術(shù)；另一種是通過制造反應(yīng)條件使甲烷直接分解成氫氣和積炭，再通過分離提純產(chǎn)物獲得氫氣，代表性技術(shù)為甲烷熱解技術(shù)。目前天然氣制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)發(fā)展較為成熟，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示該技術(shù)的環(huán)保性能有待提升。

2.2.1以甲烷水蒸氣重整技術(shù)為核心的天然氣制氫技術(shù)

     傳統(tǒng)的甲烷水蒸氣重整制氫流程包括原料氣預(yù)熱、脫硫、蒸汽轉(zhuǎn)化、中變、低變、CO₂脫除和甲烷化等環(huán)節(jié)。由于制氫流程對(duì)整個(gè)生命周期的影響評(píng)價(jià)起到關(guān)鍵性作用，因此研究者在作生命周期評(píng)價(jià)清單分析時(shí)，往往對(duì)原料氣的來源作合理地?cái)?shù)據(jù)采集，而重點(diǎn)核算制氫過程數(shù)據(jù)。

     美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的SPATH和MANN長(zhǎng)期從事甲烷水蒸氣重整制氫系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)研究，其研究思路和相關(guān)數(shù)據(jù)受到了許多研究團(tuán)隊(duì)的借鑒和引用，研究成果具有一定的權(quán)威代表性。該研究建立了從天然氣開采運(yùn)輸?shù)街茪涔S生產(chǎn)氫氣的生命周期過程，追溯了各類環(huán)節(jié)物耗和能耗的詳細(xì)清單來源，構(gòu)筑了完整的系統(tǒng)邊界，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，制氫廠運(yùn)行環(huán)節(jié)的能耗和溫室氣體釋放量分別占系統(tǒng)生命周期總量的87.1%和74.8%，是整個(gè)系統(tǒng)的主要影響環(huán)節(jié)。CETINKAYA等在SPATH和MANN的研究基礎(chǔ)上采用較新的清單數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行更新，得出甲烷水蒸氣重整制氫技術(shù)的生命周期溫室氣體釋放量為11893gCO₂/kgH₂，能耗為165.66MJ/kgH₂。SULEMAN等采用生命周期評(píng)價(jià)方法研究甲烷水蒸氣重整技術(shù)的整體環(huán)境效益，分析結(jié)果表明該技術(shù)的溫室氣體釋放量為11957gCO₂/kgH₂。AMRAN等將甲烷水蒸氣重整技術(shù)的生命周期系統(tǒng)邊界劃分為天然氣開采、天然氣運(yùn)輸、氫氣制造等流程，通過計(jì)算得出該系統(tǒng)的溫室氣體釋放當(dāng)量為11250gCO₂/kgH₂，其中制氫過程的溫室氣體釋放為5180gCO₂/kgH₂，為所有流程中溫室氣體釋放占比最高的環(huán)節(jié)；BHANDARI等通過文獻(xiàn)數(shù)據(jù)收集的方法，總結(jié)得出甲烷水蒸氣重整制氫工藝的溫室氣體釋放當(dāng)量為8900～12900gCO₂/kgH₂。

2.2.2以甲烷熱解為核心的天然氣制氫技術(shù)

     甲烷熱解制氫是指甲烷在高溫環(huán)境中受熱裂解成碳和氫氣的技術(shù)，該反應(yīng)的進(jìn)行需要加入相關(guān)催化劑，目前應(yīng)用較為廣泛的催化劑有熔融金屬和熔融碳兩種類型。熔融金屬催化劑的催化效果較好，提高反應(yīng)效率明顯，不足之處在于容易失活，需要不斷補(bǔ)充更新，生產(chǎn)成本高；熔融碳可以從熱裂解產(chǎn)物中直接分離獲得，從而實(shí)現(xiàn)催化劑自動(dòng)更新，系統(tǒng)運(yùn)行效率好，不足之處在于催化效果有待提升。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)熱力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的POSTELS和西班牙卡洛斯三世大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院的DUFOUR分別采用上述兩種類型催化劑對(duì)甲烷熱解制氫的生命周期影響情況進(jìn)行研究，結(jié)果如下所示。

     POSTELS等用生命周期評(píng)價(jià)方法探究了以熔融金屬作為催化反應(yīng)床的甲烷熱解制氫系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心主反應(yīng)器采用IASS和KIT兩家機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，金屬催化床的成分為76.2%的錫和23.8%的石英。該案例分別設(shè)置了不同溫度條件下的實(shí)驗(yàn)工況和工廠實(shí)際運(yùn)行工況，并與理論工況進(jìn)行對(duì)比，綜合得出從原料氣獲取到制氫結(jié)束的生命周期影響評(píng)價(jià)。案例不考慮積炭的處理過程，結(jié)果表明，熱解制氫系統(tǒng)生命周期的能耗為298.34～358.01MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為3900～9500gCO₂/kgH₂。影響溫室氣體釋放的主要環(huán)節(jié)是金屬催化劑的維護(hù)與更新過程，該環(huán)節(jié)是制氫運(yùn)行過程的重要環(huán)節(jié)。DUFOUR等建立了熔融碳催化劑自動(dòng)更新（ADR）的甲烷熱解制氫系統(tǒng)，設(shè)定了轉(zhuǎn)化率分別為70%和96%的運(yùn)行工況，前者接近實(shí)際運(yùn)行情況，后者為理論上甲烷熱解制氫可達(dá)到的最大轉(zhuǎn)化率。該案例利用Simapro7.1作為生命周期分析軟件，系統(tǒng)邊界包括相關(guān)電力系統(tǒng)建設(shè)、設(shè)備投入、反應(yīng)過程維護(hù)等環(huán)節(jié)，未考慮原料氣獲取、尾氣處理等過程的相關(guān)能耗物耗清單。結(jié)果顯示，系統(tǒng)的溫室氣體釋放主要來自甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣的反應(yīng)運(yùn)行過程，該部分是提升系統(tǒng)環(huán)保效益的關(guān)鍵要素。

2.2.3小結(jié)

     通過兩種制氫方法的橫向比較可得出，甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化制氫的能耗相對(duì)較低，而甲烷熱解制氫的溫室氣體釋放量相對(duì)較少，兩種技術(shù)各有優(yōu)劣。天然氣制氫運(yùn)行生命周期的能耗為165～360MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為3900～12900gCO2/kgH₂。制氫反應(yīng)運(yùn)行過程是造成系統(tǒng)能耗和溫室氣體釋放的主要因素，因此提高系統(tǒng)的整體環(huán)保效應(yīng)需從改善反應(yīng)條件，減少反應(yīng)過程能耗損失等方面著手。

2.3基于熱化學(xué)循環(huán)的核能熱利用制氫

     由于水直接熱解離所需的溫度超過4000℃，并且在高溫條件下同時(shí)生產(chǎn)氧氣和氫氣容易發(fā)生爆炸事故，因而將水直接加熱解離制氫的方案很難實(shí)施。為了規(guī)避上述問題，人們提出了采用熱化學(xué)循環(huán)方法制氫的方法，即通過若干個(gè)化學(xué)反應(yīng)，將水的分解分成幾個(gè)中間反應(yīng)進(jìn)行，這樣不僅降低了反應(yīng)溫度，而且可以避免氫氣和氧氣同時(shí)產(chǎn)生。比較典型的熱化學(xué)循環(huán)制氫方法有硫-碘循環(huán)制氫和銅-氯循環(huán)制氫等。

     采用熱化學(xué)循環(huán)法制氫需要大量的熱能，目前關(guān)于此領(lǐng)域的生命周期評(píng)價(jià)研究多將熱化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)與核能供熱系統(tǒng)進(jìn)行耦合，以提高制氫系統(tǒng)的整體效益。利用核反應(yīng)為熱化學(xué)循環(huán)提供熱量，是一種先進(jìn)環(huán)保的制氫技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。核能/熱化學(xué)循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用案例較少，因此研究者們針對(duì)此技術(shù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)時(shí)，一般是根據(jù)已有的數(shù)據(jù)結(jié)合理論算法進(jìn)行合理評(píng)估，得出相關(guān)影響評(píng)價(jià)結(jié)果。下面就硫-碘循環(huán)和銅-氯循環(huán)制氫的研究結(jié)果開展論述。

2.3.1基于硫-碘循環(huán)的核能熱利用制氫

     硫-碘循環(huán)制氫的思路是通過引入含硫和含碘的化學(xué)物質(zhì)，將水分解主反應(yīng)分成三個(gè)步驟進(jìn)行，分別為Bunsen反應(yīng)、H₂SO₄分解反應(yīng)和HI分解反應(yīng)。硫-碘循環(huán)反應(yīng)所需的熱量來源于核反應(yīng)堆，因此針對(duì)核能供熱的硫-碘循環(huán)制氫系統(tǒng)的生命周期系統(tǒng)邊界劃分，應(yīng)當(dāng)包含核反應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)、硫-碘循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)、核反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)耦合運(yùn)行等流程。

     安大略理工大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的OZBILEN等組成的研究團(tuán)隊(duì)專門研究核能熱化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的生命周期環(huán)境效益，其研究成果受到了多方機(jī)構(gòu)引用，參考價(jià)值較高。團(tuán)隊(duì)的研究表明，基于硫-碘循環(huán)的核能熱利用制氫技術(shù)的溫室氣體釋放當(dāng)量為860gCO₂/kgH₂，能耗為373MJ/kgH₂（電能消耗以30%的效率折算為一次能源）；挪威科技大學(xué)SOLLI等組成的研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事生命周期評(píng)價(jià)項(xiàng)目的研究，該團(tuán)隊(duì)采用Leontief矩陣模型對(duì)核能供熱的硫-碘循環(huán)制氫系統(tǒng)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)分析，從鈾的開采到氫氣的產(chǎn)生過程都建立了相關(guān)清單數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，核能供熱的硫-碘循環(huán)制氫系統(tǒng)的生命周期溫室氣體釋放當(dāng)量為412gCO₂/kgH₂，核能系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行過程是造成溫室氣體釋放的主導(dǎo)因素。墨西哥國(guó)立自治大學(xué)的GIRALDI等研究了不同熱源的硫-碘循環(huán)制氫系統(tǒng)生命周期溫室氣體釋放情況，研究結(jié)果表明采用核反應(yīng)為硫-碘循環(huán)溫室氣體釋放最少，為300gCO₂/kgH₂，其中核反應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行過程溫室氣體釋放占總量的66.6%，是溫室氣釋放占比最大的環(huán)節(jié)。

2.3.2基于銅-氯循環(huán)的核能熱利用制氫

     銅-氯循環(huán)依據(jù)中間反應(yīng)的設(shè)計(jì)發(fā)生方式，分為三步法、四步法、五步法3種反應(yīng)方式，反應(yīng)原理可參考相關(guān)文獻(xiàn)。同樣的，針對(duì)核能供熱的銅-氯循環(huán)制氫系統(tǒng)的生命周期系統(tǒng)邊界劃分，應(yīng)當(dāng)包含核反應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)、銅-氯循環(huán)系統(tǒng)建設(shè)、核反應(yīng)和熱化學(xué)反應(yīng)耦合運(yùn)行等流程。

     安大略理工大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的OZBILEN等采用Gabi4生命周期分析軟件建立了銅-氯循環(huán)與核能供熱耦合制氫系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行年限設(shè)定為60年，日產(chǎn)氫大小設(shè)定為12500kgH₂。該系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)結(jié)果整理如表2所示，能耗中的電耗部分按30%發(fā)電效率轉(zhuǎn)化為一次能耗。

     核能是一種高效能源，將核能供熱與熱化學(xué)循環(huán)制氫進(jìn)行耦合，在制氫領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿??；跓峄瘜W(xué)循環(huán)的核能熱利用制氫技術(shù)在其生命周期內(nèi)的溫室氣體釋放當(dāng)量為300～860gCO₂/kgH₂，能耗為360～410MJ/kgH₂。核能系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行過程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)保效益起決定性作用。

     核反應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)需要投入大量的能耗，這是造成目前該制氫技術(shù)高能耗的主要原因。因此，核能熱化學(xué)制氫技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵在于對(duì)核能系統(tǒng)建設(shè)的完善和改進(jìn)，只有降低核能系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行過程的能耗和污染物釋放，核能熱化學(xué)制氫技術(shù)才能進(jìn)一步獲得推廣利用。

2.4基于水電解反應(yīng)的可再生能源發(fā)電制氫

     電解水制氫是基于電化學(xué)原理的一種常見制氫技術(shù)。電解水制氫系統(tǒng)包括電源、電極、電解液三大部分。利用電網(wǎng)的電能進(jìn)行電解水制氫不僅能耗高，也會(huì)間接造成較大的溫室氣體釋放?？稍偕茉淳哂星鍧嵀h(huán)保的特點(diǎn)，將可再生能源發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能用于電解水制氫，可以優(yōu)化傳統(tǒng)電解水制氫的能源利用結(jié)構(gòu)，使電解水制氫更加節(jié)能環(huán)保。

     可再生能源發(fā)電制氫是發(fā)展前景廣闊的新型制氫技術(shù)，目前已經(jīng)能達(dá)到實(shí)際推廣應(yīng)用的技術(shù)要求，而風(fēng)電制氫和太陽能光伏發(fā)電制氫是該領(lǐng)域的研究熱門，適應(yīng)于多種應(yīng)用場(chǎng)合。研究者們對(duì)風(fēng)電制氫和光伏發(fā)電制氫的生命周期評(píng)價(jià)理論構(gòu)筑較為完善，評(píng)價(jià)結(jié)果可為進(jìn)一步推廣該類型制氫技術(shù)提供指導(dǎo)意見。下文就此兩種制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)進(jìn)行分析研究。

2.4.1風(fēng)電制氫

     風(fēng)電制氫是將風(fēng)力發(fā)電與電解水制氫耦合的系統(tǒng)。風(fēng)電制氫系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)，其系統(tǒng)邊界應(yīng)當(dāng)包含風(fēng)電站建設(shè)、電解水制氫、氫氣的收集（壓縮或液化）以及氫氣運(yùn)輸至使用終端4個(gè)過程。風(fēng)電制氫系統(tǒng)生命周期的系統(tǒng)邊界劃分如圖1所示。

     美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的SPATH和MANN關(guān)于風(fēng)電制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)研究較為全面，其相關(guān)數(shù)據(jù)受到了多家機(jī)構(gòu)的引用，研究成果具有公認(rèn)的權(quán)威性。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了3×50kW規(guī)模風(fēng)機(jī)的風(fēng)電制氫系統(tǒng)，在該運(yùn)行系統(tǒng)中，風(fēng)力參照美國(guó)中西部地區(qū)的氣候數(shù)據(jù)，電解水制氫效率設(shè)計(jì)為85%，最終生成的氫氣以20MPa壓力進(jìn)行儲(chǔ)存運(yùn)輸，運(yùn)輸損耗設(shè)計(jì)為7.03%。結(jié)果表明，該風(fēng)電制氫系統(tǒng)在生命周期內(nèi)的整體能耗為9.1MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為970gCO₂/kgH₂，其中風(fēng)機(jī)的制造過程能耗占總能耗的72.6%，是系統(tǒng)占總能耗最大的環(huán)節(jié)；阿爾伯塔大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的GHANDEHARIUN等以加拿大西部的風(fēng)電制氫系統(tǒng)作為生命周期評(píng)價(jià)對(duì)象，研究系統(tǒng)整體的溫室氣體釋放情況。團(tuán)隊(duì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電、電解水制氫、氫氣壓縮、氫氣運(yùn)輸4個(gè)流程進(jìn)行了詳細(xì)的清單分析，同時(shí)采用蒙特-卡洛模擬法對(duì)各不確定要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估修正，最終通過加權(quán)計(jì)算得出項(xiàng)目整體的溫室氣體釋放當(dāng)量區(qū)間為630～730gCO₂/kgH₂。其中，風(fēng)電站建設(shè)過程溫室氣體釋放量占總釋放量的65%，是系統(tǒng)溫室氣體釋放的主要環(huán)節(jié)。通過細(xì)化風(fēng)電站建設(shè)過程各要素影響，又可得出風(fēng)機(jī)制造是該過程溫室氣體釋放的主要環(huán)節(jié)；REITER等專門研究可再生能源發(fā)電制氫過程的生命周期影響效益。該團(tuán)隊(duì)通過GABI5軟件對(duì)匯集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出風(fēng)電制氫技術(shù)的生命周期能耗為12MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為600gCO₂/kgH₂。

     根據(jù)上述研究結(jié)果得出，風(fēng)電制氫系統(tǒng)的生命周期能耗為9～12MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為600～970gCO₂/kgH₂?？梢钥闯?，風(fēng)電制氫整體是一項(xiàng)環(huán)保節(jié)能的制氫技術(shù)。風(fēng)電站建設(shè)尤其是風(fēng)機(jī)設(shè)備的制造過程是造成能耗和溫室氣體釋放的主要因素，這主要與建設(shè)風(fēng)電站需耗費(fèi)大量的金屬原材料和運(yùn)輸材料需要大量的能耗有關(guān)。通過優(yōu)化風(fēng)機(jī)建設(shè)的投入可進(jìn)一步提高風(fēng)電制氫技術(shù)的整體效益。

2.4.2光伏發(fā)電制氫

     光伏發(fā)電制氫與風(fēng)電制氫的區(qū)別在于電解水制氫的所需電能由光伏板轉(zhuǎn)化的電能提供，其生命周期包含光伏電站建設(shè)維護(hù)、電解水制氫、氫氣的收集（壓縮或液化）以及氫氣運(yùn)輸至使用終端的過程。

     安大略理工大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的CETINKAYA等采用生命周期評(píng)價(jià)方法研究了光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)的綜合效益。該系統(tǒng)光伏電站建設(shè)于160m³的屋頂，裝機(jī)容量為8kW，運(yùn)行年限設(shè)計(jì)為30年。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)生命周期的整體能耗為33.444MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為2412gCO₂/kgH₂。其中，光伏電站的建設(shè)過程是造成能耗和溫室氣體釋放的主要因素，分別占系統(tǒng)生命周期整體能耗和溫室氣體釋放總量的76%和63%。REITER等研究了光伏發(fā)電制氫的系統(tǒng)邊界特征和清單數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)通過GABI5軟件進(jìn)行分析，得出光伏發(fā)電制氫技術(shù)的生命周期能耗為48MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為2400gCO₂/kgH₂。DUFOUR等總結(jié)分析了各類制氫系統(tǒng)的生命周期影響情況，得出光伏發(fā)電制氫技術(shù)的生命周期能耗為77.864MJ/kgH₂，溫室氣體釋放量為6674gCO₂/kgH₂。

     根據(jù)上述研究結(jié)果得出，光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)生命周期的能耗為30～80MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為2400～6800gCO₂/kgH₂，其中光伏電站的建造過程是造成能耗和溫室氣體釋放的主要因素。改進(jìn)光伏電站建設(shè)過程的相關(guān)工藝，可以使該制氫技術(shù)的環(huán)保效益得到明顯提升。

     可再生能源發(fā)電制氫是一類節(jié)能環(huán)保的制氫技術(shù)，其中可再生能源發(fā)電站的建設(shè)過程是造成制氫系統(tǒng)能耗和溫室氣體釋放的首要因素。因此，提高可再生能源發(fā)電制氫整體效益的關(guān)鍵在于對(duì)可再生能源發(fā)電技術(shù)的整體優(yōu)化。雖然可再生能源發(fā)電站建設(shè)過程會(huì)造成較大的能耗和溫室氣體釋放，但由于在運(yùn)行過程中幾乎沒有排放，所以可再生能源發(fā)電制氫相比于傳統(tǒng)能源制氫仍有著非常大的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)，隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，這種優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2.5生物質(zhì)氣化制氫

     生物質(zhì)氣化制氫是通過制造氣化反應(yīng)條件，將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為氫能的技術(shù)。生物質(zhì)原料來源廣泛，常見類型為農(nóng)作物廢-棄物和能源作物，如稻草、農(nóng)作物秸稈、楊樹皮等。植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)通過光合作用固定空氣中的二氧化碳，因此推廣生物質(zhì)利用對(duì)于減少溫室氣體的排放具有積極效益。目前生物質(zhì)氣化制氫的局限性主要在于生物質(zhì)原料的預(yù)處理工藝復(fù)雜，且初產(chǎn)物雜質(zhì)較多，氫氣提純難度高。

     生物質(zhì)氣化制氫反應(yīng)，可以分為以下3個(gè)過程：①在一定的溫度壓力條件下，生物質(zhì)中的有機(jī)質(zhì)經(jīng)過氣化重整過程生成合成氣；②合成氣中的CO經(jīng)過水煤氣變換反應(yīng)（WGS），轉(zhuǎn)化為H₂；③經(jīng)過一系列提純工藝，最終制得氫氣產(chǎn)物。

     生物質(zhì)氣化制氫的生命周期，包含生物質(zhì)的獲取和運(yùn)輸、氣化制氫、氫氣的收集（壓縮或液化）以及氫氣運(yùn)輸至使用終端的過程。

     目前關(guān)于生物質(zhì)氣化制氫的生命周期評(píng)價(jià)尚存有爭(zhēng)議，爭(zhēng)議點(diǎn)主要集中于植物類生物質(zhì)的種植生長(zhǎng)過程清單核算。植物種植生長(zhǎng)過程對(duì)應(yīng)的影響，如投入能耗、光合作用吸收的二氧化碳等，是否納入影響評(píng)價(jià)中，目前尚未形成統(tǒng)一定論。此問題爭(zhēng)議的焦點(diǎn)在于植物種植過程中最終被用于制氫的生物質(zhì)只占一部分，而與這部分恰好對(duì)應(yīng)的種植清單難以界定。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，生命周期評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)納入作物種植過程的所有詳細(xì)清單，因?yàn)檫@一過程包含的人工機(jī)械勞動(dòng)、化肥制造及土壤培育等清單數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響不可忽視，系統(tǒng)流程只有盡可能保持完整，得到的結(jié)果才具有說服力。對(duì)于專門培育用于制氫的生物質(zhì)，如楊樹等，在進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)時(shí)比較適合采用上述理論；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，作物種植過程投入的能耗和物耗并非完全為轉(zhuǎn)化成氫能而產(chǎn)生，納入種植過程的全部清單會(huì)夸大影響評(píng)價(jià)結(jié)果，而具體與制氫部分對(duì)應(yīng)的清單又難以界定，所以選擇不考慮生長(zhǎng)種植過程的影響。這種觀點(diǎn)適用于自然生長(zhǎng)的植物或者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)主要價(jià)值后的農(nóng)作物副產(chǎn)品，如稻草、秸稈等。兩種觀點(diǎn)均有合理之處，采用不同劃分依據(jù)時(shí)，影響評(píng)價(jià)需要作不同的說明。西班牙IMEDA能源研究所的SUSMOZAS和法國(guó)UR0050環(huán)境生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的HAJJAJI分別采用上述兩種觀點(diǎn)對(duì)生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

     SUSMOZAS等以能源作物楊樹作為制氫主體，從楊樹的種植到獲得產(chǎn)物氫氣的過程進(jìn)行了詳細(xì)的生命周期清單數(shù)據(jù)分析。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該生物質(zhì)氣化制氫系統(tǒng)的生命周期能耗為19.52MJ/kgH₂，溫室氣體凈釋放量為405gCO₂/kgH₂。作物的種植和運(yùn)輸過程涉及到土地利用，化肥使用以及大量機(jī)械力的投入，是造成能耗的主要因素，此部分能耗超過整體能耗的90%。評(píng)價(jià)過程考慮了植物生長(zhǎng)過程中對(duì)二氧化碳的吸收作用，由于植物生長(zhǎng)過程能夠吸收大量的CO₂，因此將此部分吸收的CO₂納入溫室氣體釋放核算中，可大大減少系統(tǒng)生命周期的溫室氣體釋放量。

     HAJJAJI等采用生命周期評(píng)價(jià)方法研究生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)，制氫原料為各類生物廢棄物（餐廚垃圾、動(dòng)物糞便、農(nóng)作物秸稈等），該制氫系統(tǒng)通過對(duì)各類生物廢棄物進(jìn)行統(tǒng)一收集發(fā)酵制沼氣，并對(duì)沼氣進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)化工藝，最終獲得氫氣。由于該系統(tǒng)的利用主體為生物質(zhì)廢棄物，且收集原料為沼氣，因此在進(jìn)行系統(tǒng)邊界劃分時(shí)，不包含作物種植過程的清單，不考慮植物生長(zhǎng)過程吸收的CO₂。案例采用生命周期評(píng)價(jià)軟件SimaPro8對(duì)收集的清單數(shù)據(jù)進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)分析，得出生物廢棄物氣化制氫工藝的生命周期整體能耗為4.98MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量為5590gCO₂/kgH₂。

     由上可知，界定系統(tǒng)邊界劃分的關(guān)鍵在于生物質(zhì)原料的來源差異，針對(duì)不同類型生物質(zhì)應(yīng)當(dāng)考慮不同劃分方案。當(dāng)考慮種植過程影響時(shí)，系統(tǒng)的總能耗有較大的升高，但該過程光合作用對(duì)CO₂的吸收又會(huì)使最終得出的溫室氣體釋放量下降。為方便與各類制氫技術(shù)對(duì)比，本文對(duì)這兩種清單劃分方法的生命周期影響評(píng)價(jià)匯總，得出生物質(zhì)氣化制氫方法的生命周期能耗區(qū)間為4～20MJ/kgH₂，溫室氣體釋放當(dāng)量區(qū)間為400～5600gCO₂/kgH₂?？梢钥闯?，無論是否考慮種植過程的清單數(shù)據(jù)影響，生物質(zhì)氣化制氫整體是一項(xiàng)較為節(jié)能環(huán)保的制氫技術(shù)。

3制氫技術(shù)的生命周期成本分析

     在實(shí)際應(yīng)用推廣上，衡量制氫技術(shù)的優(yōu)劣不僅要考量其節(jié)能減排效益，同時(shí)也要兼顧生產(chǎn)成本等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。ISO14040系列為生命周期評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行了說明，其中沒有涉及成本分析的相應(yīng)內(nèi)容定義。為了更全面地評(píng)估各類制氫技術(shù)的綜合效益，有必要進(jìn)行生命周期成本分析的調(diào)研。由SETAC提出的生命周期成本定義認(rèn)可度較高，內(nèi)容為“生命周期成本分析是計(jì)算與產(chǎn)品生命周期內(nèi)有關(guān)的所有因素直接承擔(dān)的所有成本費(fèi)用的方法理論”。制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)成本，應(yīng)當(dāng)包含制氫過程生命周期所有費(fèi)用的總和，可分為原料成本（生產(chǎn)用到的原材料等）、資本成本（設(shè)備成本、基建成本等）以及運(yùn)行維護(hù)成本（運(yùn)行能耗成本、人員成本等）3部分。

     表3整理了研究領(lǐng)域認(rèn)可度較高的關(guān)于不同制氫技術(shù)的生命周期成本評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表征為生產(chǎn)1kg氫氣所需耗費(fèi)的物耗成本和經(jīng)濟(jì)成本。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本核算分析時(shí)，根據(jù)貨幣的時(shí)間價(jià)值概念及一價(jià)定律，不同貨幣類型表示的制氫成本需折算成同一年限的同種貨幣，方可進(jìn)行對(duì)照。根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)所在年限及貨幣類型，本文通過查閱歷年對(duì)應(yīng)貨幣的通貨膨脹率，將成本數(shù)據(jù)折算為2016年的等值價(jià)格，再依據(jù)2016年相關(guān)貨幣匯率，將全部貨幣類型統(tǒng)一為人民幣表示。經(jīng)濟(jì)成本評(píng)價(jià)單位統(tǒng)一為“CNY/kgH₂”。

     根據(jù)表3數(shù)據(jù)，本文整理各類制氫技術(shù)的生命周期成本所在區(qū)間，結(jié)果為：煤氣化制氫8.3～19.5CNY/kgH₂、天然氣制氫10.427.6CNY/kgH₂、核能熱化學(xué)制氫為12.8～36.9CNY/kgH₂、風(fēng)電制氫22.3～59.8CNY/kgH₂、太陽能光伏發(fā)電制氫36.6～61.3CNY/kgH₂、生物質(zhì)氣化制氫9.7～22.2CNY/kgH₂。不同制氫技術(shù)生命周期成本差異較大，傳統(tǒng)制氫技術(shù)的成本相對(duì)低廉，而除生物質(zhì)氣化制氫以外的其他新型制氫技術(shù)的成本普遍較高。需要說明的是，傳統(tǒng)制氫技術(shù)中煤和天然氣原料一部分用于供給能源，一部分作為制氫反應(yīng)原料，而新型制氫技術(shù)的煤和天然氣只用于供給能源。表中的物耗情況可為經(jīng)濟(jì)成本的大小提供相應(yīng)解釋。以風(fēng)電制氫為例，該技術(shù)物耗中大量的建筑設(shè)備耗材投入導(dǎo)致了其經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較高，而該部分物耗與風(fēng)電站的建設(shè)投入相對(duì)應(yīng)。也就是說，風(fēng)電站初期建設(shè)過程的成本較高是造成風(fēng)電制氫技術(shù)生命周期成本高的主要原因。生物質(zhì)氣化制氫的成本較低，這主要與生物質(zhì)原料的低成本有關(guān)。關(guān)于制氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估在下一節(jié)中將作進(jìn)一步討論。

4制氫產(chǎn)業(yè)分析

4.1環(huán)境效益分析

     根據(jù)第2節(jié)內(nèi)容總結(jié)各類制氫技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)研究結(jié)果，將其溫室氣體釋放當(dāng)量和能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖2和圖3所示。整體而言，可再生能源利用的相關(guān)制氫技術(shù)節(jié)能環(huán)保性最佳，核能利用制氫次之，而傳統(tǒng)能源制氫對(duì)環(huán)境的節(jié)能環(huán)保性最差。以各類制氫技術(shù)溫室氣體和能耗所在區(qū)間中間值作為參照，風(fēng)電制氫（785gCO₂/kgH₂，10.5MJ/kgH₂）是目前最為環(huán)保的新型制氫技術(shù)。在可再生能源利用制氫中，光伏發(fā)電（4600gCO₂/kgH₂，55MJ/kgH₂）的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)較弱，這與目前光伏電池板高能耗高污染的制造工藝有著密切聯(lián)系，光伏發(fā)電制氫環(huán)保性能的提升，其突破口是改進(jìn)光伏電池板的相關(guān)制造工藝。生物質(zhì)氣化制氫（3000gCO₂/kgH₂，12MJ/kgH₂）的節(jié)能環(huán)保性表現(xiàn)優(yōu)秀。對(duì)于核能/熱化學(xué)制氫（580gCO₂/kgH₂，385MJ/kgH₂）而言，其溫室氣體釋放較少，但能耗卻是所有制氫技術(shù)中最高的，這主要與核反應(yīng)站的建設(shè)運(yùn)行能耗較高有關(guān)，隨著未來核能利用技術(shù)的成熟，該系統(tǒng)的能耗有望下降。由于核能熱利用制氫能量供應(yīng)密度大，可滿足大規(guī)模制氫的需求，因而該制氫技術(shù)在未來有大規(guī)模應(yīng)用的前景。天然氣制氫（8400gCO₂/kgH₂，262.5MJ/kgH₂）和煤氣化制氫技術(shù)（8150gCO₂/kgH₂，257.5MJ/kgH₂）對(duì)環(huán)境的影響效益相當(dāng)，兩者的溫室氣體釋放量約是風(fēng)電制氫的10～11倍，能耗約為風(fēng)電制氫的24～25倍，對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響較大，從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略角度出發(fā)，此類傳統(tǒng)制氫技術(shù)在未來所占的比重會(huì)不斷下降。

4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

     根據(jù)第3節(jié)的分析結(jié)論，將各類制氫技術(shù)的生命周期成本區(qū)間數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

     以不同制氫技術(shù)所在成本區(qū)間的中間值作為參照，可得出，傳統(tǒng)的煤氣化制氫（13.9CNY/kgH₂）和天然氣制氫（19.0CNY/kgH₂）的成本相對(duì)較低。在新型制氫技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電制氫（41.1CNY/kgH₂）和光伏發(fā)電制氫（48.9CNY/kgH₂）是制氫成本較高的制氫技術(shù)。兩者成本高昂主要與風(fēng)機(jī)設(shè)備和光伏發(fā)電設(shè)備的高投入有關(guān)，在未來相應(yīng)技術(shù)取得突破時(shí)，其成本有望下降至較低水平；核能/熱化學(xué)制氫（24.8CNY/kgH₂）成本相對(duì)于風(fēng)電制氫和光伏發(fā)電制氫有一定優(yōu)勢(shì)，但與傳統(tǒng)制氫技術(shù)相比仍有一段距離，需要進(jìn)一步改善成本結(jié)構(gòu)；生物質(zhì)氣化制氫（15.9CNY/kgH₂）的成本與傳統(tǒng)制氫技術(shù)相當(dāng)，在新型制氫技術(shù)中最具有經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，但目前其原料處理困難、氫產(chǎn)物純度不高等不足制約著其推廣利用。

     新型制氫技術(shù)的成本較高是目前限制其實(shí)際推廣應(yīng)用的重要因素，此類制氫技術(shù)要取得實(shí)際應(yīng)用，必須通過改進(jìn)制氫系統(tǒng)，降低設(shè)備費(fèi)用，優(yōu)化成本結(jié)構(gòu)等措施來降低經(jīng)濟(jì)投入，從而克服成本難題。

4.3產(chǎn)業(yè)特征歸納

     對(duì)各類制氫技術(shù)的特征進(jìn)行歸納總結(jié)，如表4所示。

     由于成本優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)氫能力優(yōu)秀，傳統(tǒng)制氫技術(shù)在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍是主流的制氫技術(shù)。隨著新型制氫技術(shù)的興起、環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格以及傳統(tǒng)能源儲(chǔ)量的下降，傳統(tǒng)制氫技術(shù)在未來的制氫格局中所占比重會(huì)逐漸降低。對(duì)于新型制氫技術(shù)而言，雖然風(fēng)電和光伏發(fā)電制氫受能量供應(yīng)密度小，無法連續(xù)供應(yīng)等局限性制約，在未來很難成為大規(guī)模產(chǎn)氫的主流技術(shù)，但是由于此類制氫技術(shù)有很大的節(jié)能減排潛力，因而在相關(guān)成本問題得到控制后，即可在小規(guī)模制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)揮積極作用，未來有望成為傳統(tǒng)制氫的有力補(bǔ)充。在風(fēng)能和太陽能資源富裕的局部地區(qū)，風(fēng)電/光伏發(fā)電制氫可在該制氫領(lǐng)域占有穩(wěn)固的一席之地。生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)具有原料獲取來源廣泛、不存在間歇性供應(yīng)、節(jié)能環(huán)保性能優(yōu)秀、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，未來有望成為具有一定規(guī)模化應(yīng)用的制氫技術(shù)。生物質(zhì)氣化制氫的局限性在于原料處理困難，且氫產(chǎn)物純度不高，因而也很難發(fā)展為大規(guī)模制氫的主流技術(shù)。核能熱化學(xué)制氫技術(shù)產(chǎn)氫潛力大，在完善核反應(yīng)建設(shè)方案、控制能耗和建設(shè)成本、核能技術(shù)充分發(fā)展后，有望成為未來的主流制氫技術(shù)。核聚變能源化利用是目前人類能源供應(yīng)方式的努力方向，在未來很可能為人類社會(huì)提供長(zhǎng)期的能源支撐。制氫是高能耗產(chǎn)業(yè)，能源的利用格局深刻影響著制氫技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，當(dāng)人類對(duì)能源的利用從傳統(tǒng)能源時(shí)代過渡到新能源以及核能時(shí)代時(shí)，相應(yīng)的制氫格局也會(huì)發(fā)生同步的變化。本文設(shè)想的制氫技術(shù)發(fā)展路線如圖5所示。

5結(jié)語

     生命周期評(píng)價(jià)是對(duì)某一系統(tǒng)流程的環(huán)保能耗效益進(jìn)行評(píng)估，其深層意義在于通過評(píng)價(jià)分析的結(jié)果得出有利于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)論，這也是生命周期評(píng)價(jià)理念受到廣泛應(yīng)用的原因。本文通過對(duì)各類制氫技術(shù)生命周期評(píng)價(jià)及其生命周期成本的綜述分析，評(píng)述了當(dāng)前制氫格局的現(xiàn)狀和未來發(fā)展前景，得出以下結(jié)論。

  （1）傳統(tǒng)能源制氫技術(shù)的污染物釋放主要來自于制氫反應(yīng)過程，提高其環(huán)保性可從提高原料清潔性和加強(qiáng)尾氣處理等措施著手?？稍偕茉蠢眉昂四苤茪涞哪芎暮臀廴疚镏饕獊碜杂谙到y(tǒng)初建設(shè)過程，完善過程可從減少建設(shè)過程能耗，縮短建材運(yùn)輸距離等方面著手。從現(xiàn)有的研究評(píng)價(jià)結(jié)果上看，風(fēng)電制氫是最為清潔、最為節(jié)能的新型制氫技術(shù)，應(yīng)優(yōu)先研究發(fā)展。

  （2）傳統(tǒng)制氫技術(shù)的生命周期評(píng)價(jià)體系較為成熟，但新型制氫技術(shù)的評(píng)價(jià)體系還需要不斷完善。由于新型制氫技術(shù)的數(shù)據(jù)來源完整性和精度有限，因而在細(xì)化生命周期評(píng)價(jià)的各個(gè)流程上，很多選擇都無法統(tǒng)一，如生物質(zhì)氣化制氫關(guān)于種植過程的清單劃分等。未來生命周期評(píng)價(jià)體系應(yīng)當(dāng)具備更為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

  （3）制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需同時(shí)兼顧環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益，與能源利用技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r息息相關(guān)。目前傳統(tǒng)能源制氫技術(shù)成熟，產(chǎn)氫量大，成本把控較好，在未來一段時(shí)間內(nèi)仍是制備氫氣的主要途徑。新型制氫技術(shù)尚未取得產(chǎn)業(yè)化推廣的原因不僅在于技術(shù)上需要完善，還在于其成本尚未能把控在符合生產(chǎn)效益的水準(zhǔn)。當(dāng)成本問題得以控制，技術(shù)取得突破后，新型制氫技術(shù)將隨著可再生能源和核能的快速發(fā)展很快步入實(shí)際應(yīng)用。

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