未来电力和氢能系统的生命周期评估：对低碳交通的启示

《Cleaner Environmental Systems》：Life cycle assessment of future electricity and hydrogen systems: Implications for low-carbon transport

　　本研究结合生命周期评估（LCA）与预测市场模型，评估欧盟27+英国地区2020-2050年电力与氢能的环境影响，比较了纯电动（BEV）和燃料电池电动（FCEV）的性能。结果显示，电力脱碳可降低80%温室气体（GWP），但导致土地和矿物资源需求增加；氢能生产的环境影响高度依赖电力结构，绿氢需可再生能源支撑，蓝氢可作为过渡方案平衡多类环境压力。建议根据区域能源基础设施制定差异化政策。

　　本研究探讨了在欧盟27国及英国（EU27+UK）地区，从2020年到2050年间，电力和氢气作为交通运输能源的环境影响。通过结合生命周期评估（LCA）框架与预测市场模型，研究分析了不同未来能源情景下，电池电动车（BEVs）和燃料电池电动车（FCEVs）的“井到轮”（Well-to-Wheels, WTW）性能。研究结果表明，电力脱碳可以将全球变暖潜力（GWP）降低高达80%，但同时也会增加土地使用和矿物/金属需求，这是由于可再生能源基础设施的扩展所导致的。氢气生产对环境的影响则高度依赖于电力结构，特别是在高电解水情景下。尽管BEVs在所有情景中始终表现出较低的WTW GWP，但两种驱动系统在其他环境影响类别中均存在显著的权衡。

### 电力和氢气作为运输能源的环境影响分析

交通运输领域的能源转型正在从传统内燃机汽车（ICEVs）向电动车（包括BEVs和FCEVs）转变。近年来，BEVs的市场份额迅速增长，2023年占全球汽车销量的约18%，并且预计未来几十年将大幅上升。与此同时，FCEVs也因氢气生产技术的进步和成本的下降而受到关注，但其市场份额仍相对较小。尽管这两种电动车被视为减少交通运输直接温室气体排放的低碳选择，但它们的环境影响仍是一个备受争议的话题。随着这些车辆的长期部署，其背后的能源生产系统在塑造其环境影响方面发挥着至关重要的作用。

电力作为BEVs的主要能源来源，通常被认为比汽油更具可持续性和环境友好性。然而，许多研究表明，BEVs的井到轮环境影响高度依赖于未来电力结构的变化，尤其是在可再生能源比例不断提高的背景下。因此，在评估过程中，需要考虑电力生产市场的演变，特别是可再生能源的使用情况。然而，大多数针对BEVs的生命周期评估（LCA）研究仍然依赖于使用车辆投入使用的首年电力结构的代表性排放数据，这限制了井到轮环境影响分析的准确性。尽管一些研究尝试将未来的电力结构预测整合到LCA中，但通常受到不合适的建模方法或单一预测模型的限制。

相比之下，国际能源署（IEA）和能源智库Ember采用碳因子来追踪电力生成的碳排放，这些因子表示每单位电力的排放量。然而，这种方法并未考虑整个供应链，从而限制了对电力生产其他环境影响的分析能力。这种局限性突显了需要一个更加整合和开放的框架，该框架能够考虑多区域互动、细化生命周期模型，并采用多种预测情景，以更准确地评估能源基础设施转变对电动车使用阶段的环境影响。

### 氢气生产面临的挑战

与电力生产类似，氢气生产也面临类似的挑战。以往的研究通常聚焦于单一的生产技术，忽视了未来技术组合的演变。目前，全球氢气供应主要依赖于基于化石燃料的蒸汽甲烷重整（SMR）技术，即所谓的灰氢。然而，研究指出，未来的氢气市场将主要由低碳氢气驱动，包括配备碳捕集与封存（CCS）的SMR技术和电解水技术。CCS技术的集成可将SMR的全球变暖潜力（GWP）降低45%至85%，使其成为更具环境友好性的选择。电解水技术则被预测为未来氢气生产的关键技术，因为它可以将水分子分解为氢气和氧气。然而，这一过程需要大量电力，因此其环境影响直接取决于电力结构。理想情况下，电解水应由可再生能源供电，但在可再生能源比例较低的地区，生产仍依赖于电网电力以实现经济性。

### 未来电力结构与氢气生产情景的建模方法

本研究整合了三种未来的电力预测情景和两种氢气生产市场情景，以评估它们的环境影响。电力情景包括Ember的“清洁电力路径”情景和REMIND模型下的共享社会经济路径（SSP2和SSP5）。氢气情景则考虑了国际能源署（IEA）的“可持续发展”（SD）情景和“2050年净零”（NZ）情景。研究分析了2020年至2050年间，EU27+UK国家的电力和氢气生产数据，并采用了井到轮（WTW）方法，使用BEVs和FCEVs作为载体技术，以评估不同情景下的环境影响。

在电力情景中，四个主要情景被考虑：（1）基线情景（ei, 2019），反映Ecoinvent数据库中2019年的电力市场；（2）Ember情景，代表欧洲“声明政策”情景；（3）SSP2情景；（4）SSP5情景。Ember情景预测电力结构将迅速向可再生能源转变，预计到2050年，可再生能源将占总电力结构的81%。相比之下，SSP2情景预测可再生能源占比将增加75%，而SSP5情景则表现得更为保守，预计可再生能源仅增加10个百分点，化石燃料仍占约30%。

在氢气生产情景中，研究探讨了两种情景：（1）净零情景（NZ）；（2）可持续发展情景（SD）。净零情景旨在实现《巴黎协定》中将全球气温升高控制在1.5°C以内的目标，而可持续发展情景则预计全球能源部门的二氧化碳排放将在2070年实现净零。目前，灰氢仍占主导地位，但研究预测，随着绿色氢气（通过可再生能源电解水）和蓝色氢气（SMR+CCS）技术的发展，它们将在未来取代灰氢。然而，目前针对氢气生产技术的整合生命周期评估模型仍然较少，这限制了对多种生产技术及其市场占比和电力结构演变的全面评估。

### 不同未来情景下的车辆环境影响分析

为了比较不同驱动系统的环境影响，研究采用了井到轮（WTW）生命周期评估方法，涵盖电力、氢气和汽油等上游能源生产以及车辆使用阶段的环境影响。研究聚焦于燃料和能源生产与消费的上游和使用阶段，而排除了车辆制造和报废阶段的影响。LCA遵循ISO 14040/14044标准，并使用Ecoinvent 3.9.1数据库作为背景数据源，必要时从相关文献中补充数据。

研究结果表明，BEVs和FCEVs在所有情景中均表现出比ICEVs更低的全球变暖潜力（GWP）。其中，BEV-Ember和BEV-SSP2情景在2050年表现出最低的排放水平，分别低于10克二氧化碳当量/公里（g CO?-eq./vkm）。FCEVs的排放水平虽然在初期略高于BEVs，但随着绿色氢气的普及，其排放逐渐下降，例如FCEV-NZ-Renew情景下，排放量降至约32.5 g CO?-eq./vkm。然而，FCEVs在其他环境影响类别中表现出更高的负担，如土地使用和资源消耗。相比之下，BEVs在低碳电力情景下表现出显著的环境优势，但在某些情景中，由于电力结构的变化，其环境影响可能超出FCEVs。

### 不同情景下的环境影响趋势

研究分析了不同情景下电力和氢气生产对环境的影响趋势。在电力情景中，随着可再生能源比例的增加，全球变暖潜力（GWP）显著下降，但土地使用和资源消耗的影响则有所上升。特别是，在光伏（PV）技术主导的电力结构下，土地使用和资源消耗的影响更为突出。这表明，虽然电力脱碳有助于减少温室气体排放，但同时也可能带来其他环境压力，如土地占用和材料需求。

在氢气生产情景中，绿色氢气的生产依赖于可再生能源电力，因此其环境影响高度与电力结构相关。例如，在净零情景下，如果氢气生产完全依赖可再生能源，其GWP可降至4.1至9.9千克二氧化碳当量/千克氢气（kg CO?-eq./kg H?）之间。然而，这种低碳氢气的生产也会导致土地使用和资源消耗的增加。相反，在SSP5情景下，由于可再生能源的渗透率较低，SD情景的环境影响相对较小，表明在电力结构未充分脱碳的情况下，氢气生产可能不如绿色氢气那么显著。

此外，研究还发现，电解水技术的高电力需求使得其环境影响在很大程度上取决于电力来源。例如，在SSP5情景中，尽管电力结构的GWP较高，但净零情景下仍表现出更低的GWP，这说明氢气生产的环境影响受到电力结构的显著影响。因此，为了实现低碳氢气的可持续发展，必须推动可再生能源电力的广泛应用。

### 车辆类型的环境影响比较

在比较不同车辆类型的环境影响时，研究发现，尽管BEVs和FCEVs在所有情景中均表现出比ICEVs更低的GWP，但它们在其他环境影响类别中存在显著差异。BEVs在低碳电力情景下表现出极低的GWP，但其对土地使用和资源消耗的影响也相对较高。例如，在2050年，FCEV-NZ-Renew情景下的土地使用影响达到约0.739，而BEV-Ember情景下的土地使用影响则保持在0.08以下。这表明，FCEVs在某些情景下可能面临更大的环境压力，尤其是在依赖可再生能源和电解水的情况下。

另一方面，FCEVs在GWP方面的稳定性较强，尤其是在低碳氢气供应充足的情景下。例如，在蓝氢（SMR+CCS）主导的SD情景中，FCEVs的环境影响相对均衡，尽管其GWP仍略逊于绿色氢气路径，但整体上表现出较好的环境平衡。这种平衡性使得蓝氢成为一种可行的过渡方案，特别是在可再生能源基础设施尚未充分发展或土地/资源限制较为严格的情况下。

### 环境影响的权衡与政策建议

研究结果表明，没有一种技术能在所有环境影响类别中表现最优。BEVs在低碳电力情景下表现出最低的GWP，但其土地使用和资源消耗的影响也相对较高。FCEVs虽然在某些情景下表现出较强的GWP竞争力，但其在其他环境影响类别中仍然存在显著的负担。因此，为了实现可持续的交通转型，政策制定者需要根据区域的能源可用性、基础设施成熟度和环境权衡，制定具有针对性的策略。

此外，研究还指出，未来的能源结构和技术发展存在不确定性，这使得生命周期评估（LCA）模型的预测结果受到一定影响。当前的LCI数据主要基于现有技术的背景模型，难以准确反映未来可能的效率提升、能源需求下降或技术转变。因此，需要更精细的预测模型来减少这种不确定性。

在氢气生产方面，由于技术发展的快速性，某些生产过程可能在背景数据库中缺失，导致研究需要从其他文献中引入数据，这可能带来一定的不一致性。此外，研究排除了氢气运输和储存基础设施的影响，因为这些环节对环境的影响可能因具体使用场景和地理条件而异，从而引入较大的不确定性。因此，未来的研究应考虑完整的氢气供应链，以提高环境影响评估的准确性。

### 研究的局限性与未来研究方向

尽管本研究提供了对未来电力和氢气系统环境影响的深入分析，但仍存在一些局限性。首先，技术发展的不确定性是未来LCA建模的主要挑战之一。当前的LCI数据主要基于现有技术的背景模型，难以预测未来可能出现的效率提升、能源需求下降或技术转变。因此，研究需要更精细的预测模型来减少这种不确定性。

其次，数据来源与Ecoinvent过程之间的不匹配也是一个关键挑战。为了简化映射过程，研究将背景数据库中的电力生产技术与数据源中的分类对齐。然而，这种对齐方式可能无法准确反映未来市场结构的变化。因此，未来的模型应考虑更详细的预测情景，以提高准确性。

此外，由于某些技术在背景数据库中尚未完全开发，研究不得不从其他文献中引入数据，这可能导致一定的不一致性。同时，研究排除了某些电力技术类别，因为它们在市场中占比较低或涉及跨境电力贸易，这可能影响模型的全面性。

最后，研究忽略了氢气运输和储存基础设施的影响。氢气运输方式可能会带来额外的环境权衡，如能源损失和潜在泄漏风险。因此，未来的研究应考虑完整的氢气供应链，以更全面地评估其环境影响。

### 研究的政策意义与未来展望

本研究的结果对制定可持续交通政策具有重要意义。首先，研究强调了电力脱碳对减少温室气体排放的关键作用，同时也指出了其对土地使用和资源消耗的影响。因此，在推动电力结构向低碳方向转变的同时，必须考虑如何平衡这些额外的环境压力。

其次，研究指出，FCEVs在某些情景下可能成为一种更平衡的选择，尤其是在可再生能源基础设施尚未充分发展或资源约束较为严重的情况下。这表明，政策制定者需要根据区域的具体情况，选择合适的能源路径，以实现低碳交通的目标。

最后，研究强调了政策驱动因素的重要性，如碳定价、可再生能源激励和氢气基础设施投资，这些因素将显著影响低碳氢气的可行性。因此，未来的政策制定应考虑这些不确定性，并采取动态建模方法，以更准确地评估交通和能源政策的影响。

综上所述，本研究揭示了电力和氢气作为交通能源的环境影响趋势，以及不同驱动系统在不同情景下的表现。这些发现表明，实现低碳交通需要综合考虑多种因素，包括能源结构、技术发展和区域特点。未来的研究和政策制定应致力于构建更全面和灵活的模型，以支持可持续交通的长期发展。