论文标题：Life cycle assessment methodology evaluation and greenhouse gas impact of hydrogen production routes in Australia

期刊：Frontiers in Energy

作者：Mutah Musa, Tara Hosseini, Tim Lai, Nawshad Haque, Sarb Giddey

发表时间：24 Sep 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0962-4

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文章亮点

（1）聚焦澳大利亚，分析了澳大利亚在氢气产业发展过程中的策略、面临的问题以及解决方案，为澳大利亚制定氢气产业政策提供了有力依据。

（2）不仅研究了氢气生产的技术和环境影响，还探讨了相关的认证计划和政策，把技术、环境、政策等多方面因素综合起来分析，研究视角较为全面。

（3）为国际间在氢气生产标准制定、认证计划协调等方面的合作提供了参考，有助于推动全球氢气产业的协同发展。

研究背景

氢气作为一种清洁能源，在全球能源转型进程中占据关键地位，其生产环节的环境影响备受关注。氢气生产所依赖的能源来源和工艺丰富多样，这使得不同生产方式下氢气生产的环境影响存在显著差异。全球范围内，若要实现氢气产业的可持续发展，就需要对氢气生产的可持续性数据进行有效收集与管理，确保产业发展的每一步都能符合环保要求，做到有据可依、责任明确。

在环境影响评估领域，LCA是国际公认的有效工具。将 LCA全面融入氢气价值链的整体评估，对于保障现有各类氢气生产途径的清洁性和可持续性意义重大。

澳大利亚政府积极推动应对气候变化的策略，大力发展氢气经济。在此背景下，深入评估氢气生产的生命周期影响方法，研究相关的认证方案，如原产地担保（GO）等，显得尤为重要。这不仅有助于澳大利亚明确清洁氢气生产的优选途径，还能为其氢气产业的可持续发展提供有力支持，使其在国际氢气市场竞争中占据有利地位。

主要内容

文章首先概述了三条主要制氢技术途径：热化学法、电化学技术和新兴技术，并进一步详细讨论所概述的一些制氢类别。目前，无碳捕集与封存（CCS）的天然气重整被认为是一种占主导地位的制氢技术。新技术的开发侧重于改进已发现挑战的现有技术的特定领域，以提高工艺效率和降低制氢成本。

图 1 用于制氢的天然气重整块流工艺

“绿色”和“低排放”氢的标准与认证仍在发展。欧洲对绿色氢的定义基于可再生能源和碳强度阈值；英国侧重于碳强度。LCA是评估温室气体排放的重要方法，但在系统边界设定上存在差异。澳大利亚政府积极参与国际合作推动氢认证，如DISER提出国际认证方案，涵盖电解、气化与 CCS结合等制氢方式，并参与国际相关工作小组。同时，行业也在推动认证方案发展。全球已有多种GO方案在应用。

澳大利亚政府将清洁生产技术视为氢产业发展的关键，积极推动氢认证和GO方案。氢认证方案能为消费者提供氢的生产信息和环境影响，GO方案可追溯氢的来源。然而，澳大利亚的GO方案在可再生能源证书使用灵活性、电网电力混合变化反映和排放核算复杂性等方面存在问题，需要进一步完善。

澳大利亚温室气体和能源报告方案（NGERS）为排放报告提供框架，按其规定可报告范围1-3的排放。计算氢生产排放强度时，需确定评估范围和系统边界，收集相关数据，通过特定公式计算各阶段排放、总排放、净排放和排放强度。排放分配可基于物理属性、系统扩展或经济价值。对于氢生产中的氧等副产品，需谨慎选择分配方法。

图2 LCA的关键阶段和程序

文章精选了两个案例研究，案例1为通过LCA研究多种原料和能源的制氢技术的碳足迹，包括SMR、CG、生物质热解气化、电解等。结果显示电网连接的电解器和黑煤制氢碳足迹较高，天然气热解相对较好，生物质制氢若结合CCS可实现碳负排放。

图3 制氢碳足迹比较

此外，澳大利亚不同地区电网电解氢的排放因电网能源结构而异。维多利亚州（VIC）的并网电解槽含有50-55 kg CO_2eq/kg H₂排放量，而塔斯马尼亚州（TAS）由于其电网组合中的可再生能源成分，因此排放量最低（~10 kg CO_2eq/kg H₂）。

图4 澳大利亚不同地点基于并网电解槽的制氢产生的温室气体排放

案例2为化石基氢与可再生氢排放比较。研究比较了这些技术的排放强度，包括燃烧排放、过程排放和逸散排放。结果表明，只有高捕获率的天然气制氢低于CertifHy认证方案的低碳阈值，且研究强调了考虑逸散排放和氢供应链问题对评估制氢技术的重要性。

图5 各种原料制氢的排放强度

研究表明，可再生能源电解水制氢是氢经济发展的关键。随着世界向低碳经济过渡，其他采用CCS的主导技术也将继续发挥关键作用。通过氢认证和GO计划使用LCA等工具在国家和国际层面加强对氢生产的监管严格性，将确保氢能行业的可持续发展。

原文信息

Life cycle assessment methodology evaluation and greenhouse gas impact of hydrogen production routes in Australia

Mutah Musa, Tara Hosseini, Tim Lai, Nawshad Haque, Sarb Giddey

Abstract:

The environmental impacts of hydrogen production can vary widely depending on the production energy source and process. This implies that the collection and management of sustainability data for hydrogen production globally is desired to ensure accountable development of the sector. Life cycle assessment (LCA) is an internationally recognized tool for environmental impact assessment. Integrating LCA in the holistic evaluation of the hydrogen value chain is desirable to ensure the cleanness and sustainability of the various available hydrogen production pathways. The objective of this review is to evaluate the methodology used in assessing the life cycle impact of hydrogen production including proposed documentation such as the guarantee of origin (GO) and certification schemes, and review case studies from Australia. An analysis of the sustainability strategies and schemes designed by the Australian government, aimed at mitigating climate change and promoting the hydrogen economy, was conducted. The case studies that were discussed identified the preferred available scaled routes of clean hydrogen production to be water electrolysis, which is based on technologies using renewable energy. Other dominant technologies which incorporate carbon capture and storage (CCS) were envisaged to continue playing a role in the transition to a low carbon economy. Additionally, it is critical to assess the greenhouse gas (GHG) emissions using appropriate system boundaries, in order to classify clean hydrogen production pathways. Harmonizing regulatory stringency with appropriate tracking of renewable electricity can promote clean hydrogen production through certification and GO schemes. This approach is deemed critical for the sustainable development of the hydrogen economy at the international level.

Cite this article:

Mutah Musa, Tara Hosseini, Tim Lai, Nawshad Haque, Sarb Giddey. Life cycle assessment methodology evaluation and greenhouse gas impact of hydrogen production routes in Australia. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0962-4

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期刊简介

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