FIE 加拿大支持氢能脱碳政策的制氢路径生命周期评估。论文标题：Life cycle assessment of hydrogen production pathways to support hydrogen decarbonization policies in a Canadian context
期刊：ENGINEERING Energy
作者：Giovanna Gonzales-Calienes, Miyuru Kannangara, Jianjun Yang, Jalil Shadbahr, Farid Bensebaa,Anton Alvarez-Majmutov, Jinwen Chen, Nima Ghavidel Mehr, Marzouk Benali
发表时间：22 May 2025
DOI： 10.1007/s11708-025-1008-2
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文章简介
本文聚焦于加拿大氢能源脱碳政策，通过生命周期评估（LCA）方法系统分析了六种制氢路径的碳强度及环境影响，为建立统一的氢生产碳量化标准和认证体系提供了科学依据。研究基于well-to-gate的边界设定，结合加拿大清洁氢投资税收抵免（CHITC）的碳强度阈值，对比了不同技术路径的合规性，并评估了电网电力结构、碳捕获效率等参数对结果的敏感性。
主要内容
氢作为一种高效的能源载体，被视为加拿大实现2050年净零排放目标的核心要素。然而，当前全球氢能认证体系存在显著差异：欧盟CertifHy标准要求制氢碳排放比天然气蒸汽甲烷重整降低60%，英国低碳氢标准设定排放阈值20g CO2/MJ，而加拿大CHITC政策则按碳强度分级提供15%-40%的税收抵免。这种标准不统一导致国际贸易壁垒，亟需建立基于全生命周期碳强度的科学评价体系。生命周期评估（LCA）作为国际公认的环境影响量化工具，通过系统整合原料开采、生产工艺、能源消耗等全链条数据，能为氢生产的碳足迹计算提供标准化框架。本研究通过开发基于LCA的碳强度评估方法，填补了加拿大本土化数据的空白，为清洁氢投资税收抵免政策（CHITC）的阈值设定提供了技术支撑。
图1 基于生命周期评估（LCA）的制氢路径生命周期碳强度量化方法框架
本研究采用国际标准化的LCA方法学框架（ISO 14040/44），定义well-to-gate系统边界，覆盖上游原料开采、运输、制氢纯化、压缩等全链条过程。通过整合过程模拟与背景数据库，构建了六种制氢路径的生命周期清单（LCI），包括：蒸汽甲烷重整无碳捕集路径（SMR）、蒸汽甲烷重整结合碳捕集路径（SMR+CC）、自热重整结合碳捕集路径（ATR+CC）、生物质气化结合碳捕集路径（生物质气化+CC）、碱性水电解（AE）与质子交换膜（PEM）电解。数据质量通过可靠性、完整性等五项指标严格评估，确保结果可信度。
图2 基于well-to-gate方法的制氢系统边界
结果表明，六种技术路径的碳强度呈现显著差异：其中生物质气化+CC路径的碳强度最低（0.26 kg CO2e/kg H2），AE（1.23 kg CO2e/kg H2）与PEM电解（1.34 kg CO2e/kg H2）在魁北克电网电力结构下表现良好；而ATR（4.44 kg CO2e/kg H2）和SMR（无碳捕集10.07 kg CO2e/kg H2；有碳捕集4.89 kg CO2e/kg H2）均超出CHITC的4 kg CO2e/kg H2阈值。政策适配性分析表明，电解路径可享受25%的税收抵免，生物质气化路径符合40%最高抵免标准，天然气重整路径则亟需通过碳捕集技术优化。
图3 加拿大制氢路径的well-to-gate碳强度
此外，参数的波动对碳强度也具有显著影响：PEM电解的电耗从50 kWh/kg H2增至83 kWh/kg H2时，碳强度上升54%；生物质气化若采用阿尔伯塔省高碳电网，碳强度从0.26升至2.12 kg CO2e/kg H2；ATR若从阿尔伯塔省（本地天然气）迁至魁北克省（需长途运输天然气），碳强度增至5.64 kg CO2e/kg H2。与国际框架对比，本研究与英国低碳氢标准、Argonne GREET模型在SMR/ATR路径结果相近，但生物质气化路径差异显著。
图4 PEM电解、结合碳捕集的气化及结合碳捕集的ATR制氢路径的well-to-gate碳强度敏感性
研究进一步对多维度环境影响进行评估发现：ATR+CC因电网电力生产中的废弃物处理，对人体的毒性最高；电解路径因废水排放导致淡水/陆地生态毒性突出；生物质气化因林木原料需求，土地占用显著高于其他路径；热化学路径（SMR/ATR/生物质气化）的细颗粒物（PM2.5）和臭氧前体物（NO?）排放较高，与燃烧过程直接相关。
图5 制氢路径的well-to-gate环境影响
本研究证实，基于统一LCA方法学的碳强度量化可有效支撑加拿大清洁氢政策（如CHITC税收抵免分级），推动技术优化与市场透明化。生物质气化+CC与可再生能源电解为低碳制氢的优先路径，但需兼顾水资源与土地利用等环境协同效应。未来需扩展系统边界至井口到储罐（涵盖液化、储运环节），并纳入甲烷裂解等新兴技术，以构建全球互认的氢能碳强度认证体系，加速氢经济可持续发展。
原文信息
Life cycle assessment of hydrogen production pathways to support hydrogen decarbonization policies in a Canadian context
Giovanna Gonzales-Calienes1, Miyuru Kannangara1, Jianjun Yang1, Jalil Shadbahr1, Farid Bensebaa1, Anton Alvarez-Majmutov2, Jinwen Chen2, Nima Ghavidel Mehr3, Marzouk Benali3
Author information
1. Clean Energy Innovation Research Centre, National Research Council Canada, Ottawa, ON K1A 0R6, Canada
2. CanmetENERGY, Natural Resources Canada, One Oil Patch Drive Devon, AB T9G 1A8, Canada
3. CanmetENERGY, Natural Resources Canada, 1615 Lionel-Boulet Boulevard, Varennes, QC J3X 1S6, Canada
Cite this article
Giovanna Gonzales-Calienes, Miyuru Kannangara, Jianjun Yang, Jalil Shadbahr, Farid Bensebaa, Anton Alvarez-Majmutov, Jinwen Chen, Nima Ghavidel Mehr, Marzouk Benali. Life cycle assessment of hydrogen production pathways to support hydrogen decarbonization policies in a Canadian context. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-1008-2
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关于ENG.Energy
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