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| FIE 南非斯坦陵布什大学William H.L. Stafford教授等：南非沿海设施绿色氨生产的生命周期评估 |
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论文标题：Life cycle assessment of green ammonia production at a coastal facility in South Africa
期刊：ENGINEERING Energy
作者：William H.L. Stafford, Kolobe J. Chaba, Valentina Russo, Taahira Goga, Thomas H. Roos, Myles Sharp, Anton Nahman
发表时间：6 Jun 2025
DOI：10.1007/s11708-025-1013-5
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文章简介
本文基于南非沿海设施绿色氨生产的生命周期评估（LCA）研究，探讨了绿色氨作为低碳能源载体的环境影响及潜力。研究通过对比三种生产情景，分析了不同情景下的温室气体（GHG）排放强度、环境影响类别及关键贡献因素，为全球能源转型与气候变化减缓目标的实现提供了数据支持。研究结果表明，绿色氨生产的碳强度显著低于传统化石燃料路线，且在考虑副产品销售和国际标准（ISO/TS 19870）的情景下，其环境效益进一步提升，为南非及类似地区的可再生能源出口战略提供了科学依据。
图1 绿色氨生产情景1、2和3的范围与系统边界
主要内容
全球能源体系正经历着深刻变革，以应对气候变化和减少温室气体排放。可再生能源（如风能、太阳能）的间歇性和分布不均问题，推动了“电力转燃料（PtX）”技术的发展，而绿色氨作为氢的高能量密度载体，因易于储存和运输，成为连接可再生能源产地与需求市场的关键媒介。南非凭借丰富的可再生能源资源和沿海港口优势，将绿色氨列为公正能源转型（JET）的核心举措，但其环境可行性尚未通过本地化LCA的验证。
传统氨生产高度依赖化石能源，其中灰氨和黑氨的碳强度分别为2.5–2.9 kg CO2-eq/kg和5.2–7.8 kg CO2-eq/kg，而绿色氨通过可再生能源电解水制氢，理论上可实现近零排放。然而，现有研究多聚焦发达国家情境，缺乏对发展中国家基础设施隐含排放、副产品协同利用等本地化关键因素的分析。本研究填补了这一空白，通过南非沿海设施的实证分析，量化了绿色氨的全生命周期环境影响，为国际认证标准的本地化适配、政策制定及项目设计提供了数据支撑。
本研究采用归因性LCA方法，遵循ISO 14040/14044标准，以南非萨尔达尼亚湾沿海设施为案例，评估了绿色氨的环境影响。系统边界定义为“摇篮到大门”，功能单元为1千克绿色氨，涵盖原材料提取（海水淡化、空气分离）、可再生电力（风电、光伏及锂电池储能）、电解制氢、氮气生产、氨合成及储存等全流程。
图2 1千克绿色氨生产的工艺流程图
情景设计针对系统边界和副产品分配设置了三种情景：情景1仅生产氨，不考虑副产品；情景2纳入了氧气、氩气及过剩电力的协同生产，并通过质量分配法分摊排放；情景3依据ISO/TS 19870标准，排除了可再生能源基础设施的隐含排放。数据来源结合Ecoinvent 3.9.1数据库与foreground数据，采用SimaPro 9.5软件及ReCiPe 2016方法，评估了18项环境影响类别，包括全球变暖潜值（GWP）、颗粒物形成、淡水富营养化等。
对比基准选取亚洲灰氨和南非黑氨，通过生命周期清单（LCI）分析，量化了绿色氨在资源消耗、污染物排放等方面的优势。此外，研究通过贡献分析识别关键影响环节，并通过敏感性分析验证了分配方法对结果的影响。
碳强度结果显示，情景1中绿色氨的碳强度为0.79 kg CO2-eq/kg，情景2因副产品分摊降至0.28 kg CO2-eq/kg，情景3排除能源基础设施隐含排放后进一步降至0.11 kg CO2-eq/kg，均低于国际低碳燃料认证阈值。与灰氨（2.29 kg CO2-eq/kg）和黑氨（5.83 kg CO2-eq/kg）相比，绿色氨的GWP分别降低了66%和98%，证明其具有减排潜力。
图3 绿色氨生产的温室气体排放量
图4 绿色氨生产的预期碳强度——当前及2050年
环境影响分析表明，电解过程是主要影响源，其高能耗导致颗粒物污染和GWP成为主导影响类别。可再生能源基础设施的隐含排放（如风电/光伏设备制造）是情景1与情景3碳强度差异的核心原因，凸显出能源供应系统脱碳的紧迫性。此外，绿色氨在资源稀缺性和生态毒性等类别中表现优于化石基氨，但需关注土地使用和水资源消耗的本地化影响。
图5 影响类别对绿色氨生产生命周期影响的贡献
图6 工艺过程对绿色氨生产生命周期影响的贡献
研究建议：一、推动能源基础设施制造环节的快速脱碳，以降低隐含排放；二、通过副产品（氧气、氩气）市场化利用提升环境绩效；三、协调国际认证标准（如 ISO/TS 19870）中的边界定义，促进绿色氨跨境贸易。南非绿色氨产业需结合技术创新和系统优化，进一步提升竞争力，以实现“资源-能源-环境”的协同可持续发展。
本研究通过精细化LCA分析，证实了南非沿海地区绿色氨的低碳属性，为其作为全球氢载体的可行性提供了实证支持，同时强调了全产业链协同脱碳对实现2050年净零目标的关键意义。
原文信息
Life cycle assessment of green ammonia production at a coastal facility in South Africa
William H.L. Stafford1,2,Kolobe J. Chaba1, Valentina Russo1, Taahira Goga1, Thomas H. Roos1, Myles Sharp2, Anton Nahman1
Author information
1. Council for Scientific and Industrial Research, 11 Jan Celliers Street, Stellenbosch 7600, South Africa
2. Department of Chemical Engineering, University of Stellenbosch, Stellenbosch 7600, South Africa
Cite this article
William H.L. Stafford, Kolobe J. Chaba, Valentina Russo, Taahira Goga, Thomas H. Roos, Myles Sharp, Anton Nahman. Life cycle assessment of green ammonia production at a coastal facility in South Africa. Front. Energy,https://doi.org/10.1007/s11708-025-1013-5
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关于ENG.Energy
ENGINEERING Energy（原Frontiers in Energy）是中国工程院院刊能源分刊，由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。
ENGINEERING Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年影响因子为6.2,在“ENERGY & FUELS”学科分类中位列55位(55/182)，处于JCR Q2区。2024年度CiteScore为6.9，在“Energy”领域排名#77/299；2025年即时IF为7.5，即时CiteScore为9.0。
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