氫基綠色工業(yè)產(chǎn)品和傳統(tǒng)工藝的全生命周期碳足跡對(duì)比評(píng)估

喻夢(mèng)伊　汪飛

摘要：“雙碳”目標(biāo)下，氫能正成為促進(jìn)我國(guó)可再生能源規(guī)?；{與實(shí)現(xiàn)能源電力系統(tǒng)低碳/零碳排放的重要技術(shù)路徑之一。在甲烷、甲醇和鋼鐵等氫能應(yīng)用的工業(yè)過程中，以可再生能源制備的綠色氫氣替代傳統(tǒng)的工業(yè)副產(chǎn)氫可降低工業(yè)產(chǎn)品的全生命周期碳足跡，但基于綠氫的新型工業(yè)生產(chǎn)方式相對(duì)于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的降碳能力有待量化評(píng)估。文章通過構(gòu)建基于全生命周期評(píng)價(jià)理論的碳中和能力量化評(píng)估模型，從產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的角度，以綠色甲烷、綠色甲醇和綠色鋼鐵為對(duì)象，根據(jù)各產(chǎn)品的生產(chǎn)流程進(jìn)行碳足跡評(píng)價(jià)，并將結(jié)果與基于傳統(tǒng)化石能源生產(chǎn)的產(chǎn)品碳足跡進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)工藝相比，基于綠氫的新能源系統(tǒng)生產(chǎn)的綠色甲烷、綠色甲醇和綠色鋼鐵都具有不同程度的碳減排能力。本研究量化評(píng)估了基于綠氫的新型工業(yè)生產(chǎn)方式在大規(guī)模氫能應(yīng)用時(shí)代的深度脫碳能力，為綠氫應(yīng)用系統(tǒng)接入碳交易市場(chǎng)提供了量化評(píng)估指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：綠色甲烷；綠色甲醇；綠色鋼鐵；全生命周期評(píng)價(jià)；氫能應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TK91文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

“雙碳”目標(biāo)下，氫能作為規(guī)模化的儲(chǔ)能載體，正成為促進(jìn)我國(guó)可再生能源規(guī)?；{與實(shí)現(xiàn)能源電力系統(tǒng)低碳/零碳排放的重要技術(shù)路徑之一。同時(shí)，可再生能源電解制得的氫能（即“綠氫”）可作為氣、電網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系紐帶，進(jìn)一步耦合應(yīng)用于民用、建筑、交通等終端難減排領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)深度脫碳。當(dāng)前，世界各主要國(guó)家均開展了氫能制備、儲(chǔ)存、輸運(yùn)及利用等方面的廣泛研究和實(shí)踐。美國(guó)能源部在2019年初正式推出H2@Scale計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)低成本可持續(xù)的大規(guī)模綠氫生產(chǎn)、輸運(yùn)和利用［1］。2020年，德國(guó)和法國(guó)先后發(fā)布了各自的《國(guó)家氫能戰(zhàn)略》，制定了“綠氫”發(fā)展路線，計(jì)劃大規(guī)模布置電解水裝置［2］。2021年，我國(guó)“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要明確指出，大力發(fā)展氫能與儲(chǔ)能等前沿科技和產(chǎn)業(yè)變革領(lǐng)域［3］。中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》表明，到2050年，氫能在中國(guó)終端能源體系中占比將達(dá)到10%，與電力協(xié)同互補(bǔ)，共同成為中國(guó)終端能源體系的消費(fèi)主體之一［4］。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括上游氫氣制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注等氫能基礎(chǔ)設(shè)施，中游燃料電池電堆及系統(tǒng)主要零部件，下游氫能終端產(chǎn)品制造及研發(fā)等應(yīng)用環(huán)節(jié)，即將氫氣作為能源或原料，應(yīng)用于各種領(lǐng)域和行業(yè)中的過程。作為氫能產(chǎn)業(yè)鏈的最終環(huán)節(jié)，氫能應(yīng)用具有廣泛的前景和重要的戰(zhàn)略意義。按照終端能源消費(fèi)形式分類，氫能應(yīng)用場(chǎng)景可分為工業(yè)、建筑、交通和電力4大類［5］。工業(yè)領(lǐng)域包括氫煉鋼、合成氨、煤制甲醇等［6］；建筑領(lǐng)域包括天然氣管道摻氫、集中式冷熱電三聯(lián)供等；交通領(lǐng)域包括商用車、有軌電車、飛機(jī)和船舶［7］等；電力領(lǐng)域包括氫燃料電池電站、燃煤摻氫電廠［8］等。目前，市面上使用的絕大多數(shù)氫氣是“灰氫”，即通過化石燃料燃燒產(chǎn)生的氫氣，約占當(dāng)今全球氫氣產(chǎn)量的95％。近些年來，隨著碳捕集、利用與封存等技術(shù)的發(fā)展，在“灰氫”的基礎(chǔ)上可制得較為低碳的“藍(lán)氫”。若以“綠氫”代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中使用的“灰氫”和“藍(lán)氫”，可從氫源上降低各工藝產(chǎn)品的全生命周期碳足跡，從而助力實(shí)現(xiàn)碳中和。

生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）是從環(huán)境學(xué)的角度對(duì)各類工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境影響進(jìn)行量化評(píng)估［9］，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的溫室效應(yīng)、土壤酸化和水質(zhì)污染等擬定評(píng)估指標(biāo)，使得工業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的各項(xiàng)影響得以量化體現(xiàn)［10］。其中，全生命周期碳足跡用于描述工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中直接或間接的溫室效應(yīng)強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于各類產(chǎn)品的碳中和能力量化評(píng)估［11］。碳足跡（Carbon Footprint）通常指企業(yè)機(jī)構(gòu)、活動(dòng)、產(chǎn)品或個(gè)人通過交通運(yùn)輸、食品生產(chǎn)和消費(fèi)以及各類生產(chǎn)過程等引起的溫室氣體排放總和［12］。不同研究對(duì)象的碳足跡衡量單位和核算方法不同［13］，應(yīng)根據(jù)行業(yè)特點(diǎn)采取產(chǎn)品的物理量碳強(qiáng)度指標(biāo)、價(jià)值量碳強(qiáng)度指標(biāo)［14］，通常用CO2質(zhì)量當(dāng)量表示溫室氣體（Green House Gas， GHG）排放導(dǎo)致的全球變暖效應(yīng)，且采用100年時(shí)間尺度的全球變暖潛能（Global Warming Potential，GWP）當(dāng)量因子進(jìn)行計(jì)算［15］。

本文通過構(gòu)建基于LCA理論的碳中和能力量化評(píng)估模型，從產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的角度，以綠色甲烷工廠、綠色甲醇工廠和綠色鋼鐵廠為對(duì)象，對(duì)各行業(yè)在大規(guī)模氫能應(yīng)用時(shí)代所具備的深度脫碳潛力進(jìn)行了對(duì)比分析，通過將基于氫能的新能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)進(jìn)行碳足跡對(duì)比，解釋了氫能為何能在各行各業(yè)助力碳中和。

1 全生命周期碳中和能力量化評(píng)估模型

LCA又被稱為“從搖籃到墳?zāi)埂狈治?，LCA就是對(duì)產(chǎn)品、工藝或者活動(dòng)從資源開采到最終處理的整個(gè)生命周期環(huán)境影響的一種評(píng)價(jià)方法［15］。國(guó)際環(huán)境毒理學(xué)會(huì)和化學(xué)學(xué)會(huì)（Society of Environmental Toxicology and Chemistry，SETAC）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standard，ISO）對(duì)LCA給出了最具權(quán)威且?guī)缀跻恢碌亩x：LCA是一個(gè)對(duì)與產(chǎn)品、工藝或者活動(dòng)相關(guān)的環(huán)境負(fù)荷潛在影響進(jìn)行定量化、系統(tǒng)化評(píng)價(jià)的過程，涉及產(chǎn)品、工藝或活動(dòng)的整個(gè)生命周期，它通過識(shí)別和量化產(chǎn)品系統(tǒng)資源、能源消耗和環(huán)境排放類型，評(píng)價(jià)這些能源與材料使用和環(huán)境排放的潛在影響，并評(píng)估和實(shí)施改善環(huán)境的措施。ISO 14040標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的LCA技術(shù)框架包括目標(biāo)與范圍定義、清單分析、生命周期影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋4個(gè)部分，如圖1所示。

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，溫室效應(yīng)這一重要的環(huán)境影響引起了廣泛關(guān)注。LCA作為GHG排放的量化評(píng)估工具，得到了廣泛應(yīng)用。2007年Carbon Trust組織基于全生命周期評(píng)價(jià)理論，定義碳足跡為一種以碳當(dāng)量估算產(chǎn)品生命周期中所有GHG總排放量的方法，將碳足跡從之前僅計(jì)算CO2排放擴(kuò)展到所有的GHG排放［16］，如圖2所示。2012年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織定義碳足跡是指產(chǎn)品由原料獲取、制造、運(yùn)輸、銷售、使用以及廢氣處理各階段直接和間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量，這一定義拓展改進(jìn)了Carbon Trust關(guān)于碳足跡的定義［17］。碳足跡的時(shí)空范圍包括產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，并對(duì)間接排放的GHG進(jìn)行了計(jì)算。碳足跡的定義趨于規(guī)范成熟，尤其是生命周期思想已經(jīng)發(fā)展成碳足跡估算的一個(gè)特征。此后，基于生命周期評(píng)價(jià)思想的碳足跡概念已被越來越多的學(xué)者所接受，并應(yīng)用于大型能源生產(chǎn)單元的碳中和效益量化評(píng)估工作中。

本文所研究的氫能應(yīng)用場(chǎng)景分別為甲烷廠、甲醇廠和鋼廠，三者在生產(chǎn)各自產(chǎn)品（甲烷、甲醇和鋼）的過程中，將消耗各種各樣的生產(chǎn)資料（冷卻劑、熱蒸汽和電等）和終端能源（原煤、原油和原始天然氣等）。在LCA基礎(chǔ)模型構(gòu)建中，將測(cè)算邊界內(nèi)生產(chǎn)資料和終端能源的GHG排放數(shù)據(jù)歸算到統(tǒng)一功能單位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳足跡的量化評(píng)估。生產(chǎn)資料的生命周期評(píng)價(jià)功能單位采用1 kg物質(zhì)，終端能源的全生命周期評(píng)價(jià)功能單位采用1 MJ能量，3種氫能應(yīng)用場(chǎng)景的全生命周期評(píng)價(jià)功能單位分別采用1 kg甲烷、1 kg甲醇和1 kg鋼。因此，綠色甲烷生產(chǎn)的全生命周期碳足跡采用1 kg綠色甲烷產(chǎn)出過程中導(dǎo)致的GHG排放總量衡量；綠色甲醇生產(chǎn)的全生命周期碳足跡采用1 kg綠色甲醇產(chǎn)出過程中導(dǎo)致的GHG排放總量衡量；綠色鋼生產(chǎn)的全生命周期碳足跡采用1 kg綠色鋼產(chǎn)出過程中導(dǎo)致的GHG排放總量衡量。

2 氫基綠色能源和傳統(tǒng)能源碳足跡對(duì)比評(píng)估

本文以綠色甲烷工廠、綠色甲醇工廠和綠色鋼鐵廠為對(duì)象，對(duì)比分析了基于綠氫能源的應(yīng)用系統(tǒng)和基于傳統(tǒng)化石能源的應(yīng)用系統(tǒng)的碳足跡，量化評(píng)估綠氫應(yīng)用系統(tǒng)的碳中和能力。在以可再生能源為核心的新型零碳能源體系中，綠氫可作為灰氫和藍(lán)氫的替代品，用于甲烷、甲醇合成和鋼鐵冶煉?；谏鲜?種應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)的電轉(zhuǎn)甲烷（Power to Gas，P2G），電轉(zhuǎn)甲醇（Power to Methanol，P2M）和氫基直接還原鐵（Hydrogen Direct Reduced Iron Technologies，H2-DRI）技術(shù)將在未來形成完整的電氫協(xié)同系統(tǒng)。為進(jìn)一步量化氫能應(yīng)用系統(tǒng)的作用效果，采用生態(tài)學(xué)面向產(chǎn)品的分析方法——全生命周期評(píng)價(jià)，構(gòu)建基于工藝流程的全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)模型，對(duì)氫能應(yīng)用系統(tǒng)的碳中和潛力進(jìn)行評(píng)估分析。

2.1 二氧化碳加氫氣合成綠色甲烷

在未來幾十年中，間歇性可再生能源發(fā)電量將快速增加。為了集成可再生能源，需要在低需求期間進(jìn)行能源儲(chǔ)存，并可能將剩余電力轉(zhuǎn)換為其他能量載體。P2G是一種有前景的技術(shù)，因?yàn)樗哂刑峁┐笠?guī)模和長(zhǎng)期能源儲(chǔ)存的潛力。將氫氣轉(zhuǎn)化生成甲烷或其他碳基燃料的技術(shù)也較為成熟，轉(zhuǎn)換過程中還可吸收利用二氧化碳，實(shí)現(xiàn)碳中和，可視為碳中性過程［18］。P2G系統(tǒng)以電解槽為核心，可將電能轉(zhuǎn)化為氫氣或甲烷的化學(xué)能，并應(yīng)用于多種終端用途，如化工、交通、發(fā)電、供暖和氣體儲(chǔ)存。電轉(zhuǎn)甲烷主要由電解水制氫和發(fā)生在鎳基催化劑上的Sabatier反應(yīng)將二氧化碳和氫氣合成甲烷［19］，主要生產(chǎn)鏈如圖3所示。

常見的電轉(zhuǎn)甲烷生產(chǎn)鏈主要設(shè)備包括電解槽、預(yù)熱器、平推流反應(yīng)器、冷凝器和閃蒸罐等，環(huán)節(jié)中的每種設(shè)備都會(huì)消耗一定的能源，從而留下碳足跡。綠色甲烷生產(chǎn)過程中的碳足跡如圖4所示，并與常規(guī)天然氣消費(fèi)的碳足跡進(jìn)行對(duì)比。在綠色甲烷的制取中，碳捕集、生產(chǎn)合成氣等環(huán)節(jié)的總排放約為每千克甲烷1.65 kg CO2，而在整個(gè)生產(chǎn)過程中的負(fù)碳環(huán)節(jié)則吸收了約每千克甲烷3.14 kg CO2，最終綠色甲烷生產(chǎn)鏈的總碳足跡約為每千克甲烷-1.5 kg CO2［20］。傳統(tǒng)的天然氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳足跡約為每千克甲烷3.15 kg CO2。根據(jù)估算，如果使用綠色甲烷替代傳統(tǒng)天然氣，每生產(chǎn)1 t綠色甲烷可減少碳足跡4.63 t CO2。

2.2 二氧化碳加氫氣合成綠色甲醇

“雙碳”背景下，隨著可再生電力價(jià)格的持續(xù)下降，以CO2和綠氫為原料生產(chǎn)“綠色甲醇”成為未來甲醇行業(yè)的重要發(fā)展方向。CO2和綠氫反應(yīng)制甲醇也可認(rèn)為是綠氫和可再生能源的有效存儲(chǔ)手段，其實(shí)質(zhì)是利用可再生能源將CO2和水轉(zhuǎn)化為甲醇，把不穩(wěn)定的可再生能源存儲(chǔ)在易存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)募状贾校?1］。甲醇用途十分廣泛，因其具有高能量密度（22.7 MJ/kg，18 MJ/L HHV），可作為優(yōu)質(zhì)液體燃料

和大宗原料［22］；也可作為溶劑和中間物質(zhì)，用于生產(chǎn)數(shù)百種化學(xué)品和產(chǎn)品，包括二甲醚（DME）、汽油、煤油、烯烴等［23］。目前常用的P2G技術(shù)為兩步合成法［24］，其生產(chǎn)鏈如圖5所示。

兩步法合成綠色甲醇生產(chǎn)鏈的主要設(shè)備包括電解槽、多級(jí)壓縮機(jī)、甲醇反應(yīng)器、閃蒸罐、精餾塔［11］。各設(shè)備在運(yùn)行過程中將消耗不同的生產(chǎn)資料，產(chǎn)生一定的碳足跡。綠色甲醇生產(chǎn)鏈中的碳足跡分布，如圖6所示，并將總碳足跡與傳統(tǒng)的天然氣制甲醇相比較。在綠色甲醇生產(chǎn)鏈中，在碳捕集、電解水和閃蒸等碳增環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的正碳足跡為每千克甲醇1.20 kg CO2。而綠色甲醇合成環(huán)節(jié)的負(fù)碳足跡為每千克甲醇-1.35 kg CO2，最終綠色甲醇生產(chǎn)鏈的總碳足跡為每千克甲醇-0.15 kg CO2。傳統(tǒng)的天然氣合成甲醇生產(chǎn)鏈（Natural Gas to Methanol，N2M）的碳足跡約為每千克甲醇0.63 kg CO2。若用綠色甲醇生產(chǎn)鏈替代傳統(tǒng)甲醇生產(chǎn)鏈，生產(chǎn)1 t甲醇可減少780 kg CO2碳足跡。

2.3 氫基直接還原鐵

在鋼鐵領(lǐng)域，基于天然氣直接還原鐵冶煉高純鋼的技術(shù)已有廣泛普及［25］。綠氫作為一種低碳的還原劑，成為了傳統(tǒng)天然氣的有效替代方案?；跉錃庵苯舆€原鐵冶煉高純鋼生產(chǎn)鏈如圖7所示，該工藝與傳統(tǒng)的基于天然氣直接還原鐵冶煉高純鋼生產(chǎn)鏈區(qū)別較小。因此，在進(jìn)行還原劑的替換時(shí)，大部分的設(shè)備僅需進(jìn)行一定改造便可投入使用。

基于天然氣直接還原鐵冶煉高純鋼生產(chǎn)鏈包括鐵礦石開采、球團(tuán)化、直接還原鐵生產(chǎn)和電弧爐冶煉［26］。其中：鐵礦石開采是指從地下或露天礦床中獲取鐵礦石的過程；球團(tuán)化是一種將細(xì)粉狀鐵礦石顆粒轉(zhuǎn)化為球狀顆粒的過程；直接還原鐵生產(chǎn)是一種通過還原鐵礦石制備直接還原鐵的過程；電弧爐通過電弧放電加熱廢鋼，將其熔化并轉(zhuǎn)化為高純度的熔融鋼液。H2-DRI生產(chǎn)綠色鋼時(shí)各環(huán)節(jié)的碳足跡分布，并將傳統(tǒng)直接還原鐵（Natural Gas - Direct Reduced Iron，NG-DRI）生產(chǎn)鏈碳足跡［26］與之對(duì)比，如圖8所示。H2-DRI的碳足跡為NG-DRI的43.02%，若用H2-DRI生產(chǎn)的綠色鋼替代傳統(tǒng)鋼，生產(chǎn)每噸綠色鋼的碳減排量為490 kg CO2。

3 結(jié)論和總結(jié)

本文基于LCA模型對(duì)氫氣應(yīng)用系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行了全生命周期碳足跡評(píng)價(jià)，并對(duì)綠色甲烷、綠色甲醇和綠色鋼生產(chǎn)3個(gè)對(duì)象進(jìn)行了碳中和能力評(píng)估。通過與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中的甲烷、甲醇合成和鋼鐵生產(chǎn)的碳足跡進(jìn)行對(duì)比，量化評(píng)估了各個(gè)氫氣應(yīng)用環(huán)節(jié)的碳中和能力，主要結(jié)論如下：

（1）若用綠色甲烷替代傳統(tǒng)天然氣，每生產(chǎn)1 t綠色甲烷的碳減排量為4.63 t CO2。

（2）若用綠色甲醇生產(chǎn)鏈替代傳統(tǒng)甲醇生產(chǎn)鏈，每生產(chǎn)1 t甲醇的碳減排量為780 kg CO2。

（3）若用H2-DRI生產(chǎn)的綠色鋼替代傳統(tǒng)鋼，每生產(chǎn)1 t綠色鋼的碳減排量為490 kg CO2。

本文的研究結(jié)果為氫能源的可持續(xù)利用提供了重要的科學(xué)依據(jù)，證明了基于氫能的新能源能夠助力各行業(yè)在大規(guī)模氫能應(yīng)用時(shí)代實(shí)現(xiàn)深度脫碳，促進(jìn)了氫氣應(yīng)用系統(tǒng)的研究。在未來，隨著可再生能源的發(fā)展帶來的可再生電價(jià)進(jìn)一步降低，氫能應(yīng)用將會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)空間，通過科學(xué)研究和推廣應(yīng)用，有望實(shí)現(xiàn)氫能源的可持續(xù)利用，為構(gòu)建清潔、低碳、可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)做出重要貢獻(xiàn)。

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（編輯 何 琳編輯）

Comparative assessment of the life-cycle carbon footprint of hydrogen-based green industrial products and conventional processes

Yu ?Mengyi， Wang? Fei

（Jiangsu Province Productivity Center， Nanjing 210042， China）

Abstract： ?Under the “double-carbon” goal， hydrogen energy is becoming one of the important technological paths to promote the large-scale consumption of renewable energy and achieve low-carbon/zero carbon emissions in Chinas energy and power systems. In the industrial process of hydrogen energy applications such as methane， methanol， and steel， replacing traditional industrial by-product hydrogen with green hydrogen prepared from renewable energy can reduce the carbon footprint of industrial products throughout their entire life cycle. However， the carbon reduction ability of new industrial production methods based on green hydrogen relative to traditional production methods needs to be quantitatively evaluated. The article constructs a quantitative evaluation model for carbon neutrality capacity based on the theory of full life cycle assessment. From the perspective of industrial ecology， green methane， green methanol， and green steel are taken as objects， and carbon footprint evaluation is conducted based on the production process of each product. The results are compared with the carbon footprint of products produced based on traditional fossil energy. The results indicate that compared with traditional processes， green methane， green methanol， and green steel produced by new energy systems based on green hydrogen all have varying degrees of carbon reduction capabilities. This study quantitatively evaluates the deep decarbonization ability of new industrial production methods based on green hydrogen in the era of large-scale hydrogen energy application， providing quantitative evaluation indicators for the integration of green hydrogen application systems into the carbon trading market.

Key words： green methane; green methanol; green steel; life-cycle assessment; hydrogen application

基金項(xiàng)目：2023年度江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心青年人才基金；項(xiàng)目編號(hào)：D2023012。

作者簡(jiǎn)介：喻夢(mèng)伊（1992— ），女，助理研究員，碩士；研究方向：科技管理。