液态碱性水电解器：从设计、运行到报废阶段的性能比较

《Environmental Science & Technology》：Liquid Alkaline Water Electrolyzers: Comparing Performance across Design, Operation, and End-of-Life Scenarios

　　液碱水电解（LAWE）技术是生产绿氢的重要途径，但全生命周期环境影响评估仍存在不足。本研究通过对比基线（传统设计）与先进（零间隙电极）两种堆设计，结合风能、太阳能及混合供电，评估了LAWE系统在12类环境（如碳排放、酸化、土地占用等）的全生命周期影响。结果表明：先进设计因减少钢、镍用量，使能耗降低，总环境影响减少20-25%；风能供电的氢泄漏率（0.002-0.004 kg/kg H?）显著低于太阳能（0.022 kg/kg H?）；系统运营（O&M）阶段贡献超过90%的环境影响，其中风能供电的碳排放强度（1.03 kgCO?eq/kg H?）仅为太阳能（2.57 kgCO?eq/kg H?）的40%。建议优化电极设计、优先使用风能供电、改进辅助系统材料及推广堆回收策略。

　　液态碱性水电解（LAWE）作为一种已被验证的制氢技术，其在能源转型和绿色氢能生产中具有重要潜力。然而，目前对于其部署的全面生命周期评估（LCA）仍较为缺乏。本研究通过整合现有科学文献中的材料和能量平衡数据，并结合美国本土的供应链过程流程，对当前主流设计和一种先进的“零间隙”堆栈设计进行了生命周期评估。研究还涵盖了动态电力使用情况（如太阳能、风能及混合能源）以及堆栈回收策略对环境和资源影响的分析。本文旨在揭示不同堆栈设计、电力来源和回收策略对制氢过程整体影响的差异，从而为未来氢能生产的规模化部署提供参考。

### LAWE技术概述

液态碱性水电解是一种在低温（50–100 °C）下进行的氢气生产技术，其主要优势在于无需使用贵金属催化剂，从而降低了材料成本和复杂性。近年来，随着对可再生能源的重视，LAWE技术逐渐成为利用风能和太阳能生产氢气的重要手段。新型的“零间隙”堆栈设计通过将电极与膜直接接触，消除了传统堆栈设计中的电解液间隙，从而降低了欧姆电阻，提高了能量效率。此外，这种设计还减少了用于电气传导的金属板的表面积，进而减少了材料使用量。这种改进不仅有助于提升制氢效率，还为降低环境影响提供了新的可能性。

然而，尽管LAWE技术在能量和材料效率方面有显著提升，目前关于其环境和资源影响的生命周期评估仍然不够全面。现有研究多集中在堆栈材料的获取和制造阶段，而忽略了辅助设备（如平衡系统BoP）以及动态电力使用对整体影响的潜在贡献。因此，本文试图填补这一研究空白，通过构建完整的生命周期模型，包括从原材料获取到生产、运营维护、以及最终的材料回收处理，对不同设计方案和电力来源的综合影响进行评估。

### 研究方法与数据来源

本研究采用ISO 14040/14044标准下的生命周期评估方法，将整个分析过程分为四个阶段：目标与范围定义、生命周期库存分析（LCA）、生命周期影响评估（LCIA）以及结果解释。研究系统边界涵盖了从原材料获取、制造、运营维护到废弃处理的全过程，具体包括太阳能板、风力涡轮机、离子交换膜、以及用于制氢的钾氢氧化物（KOH）等材料。为了更好地反映美国的实际情况，研究还采用了美国地质调查局（USGS）和美国环境保护署（EPA）提供的数据，以建立符合美国市场特点的库存流程。

在能源使用方面，研究基于美国国家可再生能源实验室（NREL）的PySAM模型，模拟了2023年三个典型地点（Wyoming的风力涡轮机、California的太阳能板以及Texas的混合能源系统）的电力输出。这些电力数据被用于构建运营模型，以分析不同电力来源对制氢过程的影响。此外，研究还考虑了电极材料的使用、堆栈组件的制造过程、以及材料回收策略对环境影响的缓解作用。

### 主要发现

研究结果表明，电力来源是影响制氢系统环境和资源负担的主要因素。例如，当LAWE系统与风能直接连接时，其碳强度仅为1.03 kgCO?-e/kgH?，而使用太阳能时，碳强度则高达2.57 kgCO?-e/kgH?。这种差异主要源于风能的可变性和稳定性，使得在系统启动和关闭过程中氢气泄漏的量较少，从而降低了整体碳排放。相比之下，太阳能的间歇性和不可预测性导致了更多的氢气泄漏，进而增加了碳强度。

此外，先进的“零间隙”堆栈设计在多个方面显著降低了环境影响。与传统堆栈相比，其材料使用量减少了约93%的钢材和77%的镍，这主要得益于其紧凑的结构设计和优化的离子传输效率。同时，堆栈回收策略也被纳入分析，结果显示，回收可以进一步降低12种环境影响类别中的整体负担，尽管其对总影响的贡献相对较小。

在运营维护阶段，研究发现，尽管运营维护仅占总影响的不到10%，但其对碳强度、酸化、富营养化等环境影响具有重要影响。例如，太阳能驱动的系统在运营过程中导致的氢气泄漏量是风能驱动系统的10倍，这进一步增加了其环境负担。相比之下，混合能源系统由于结合了风能和太阳能的优势，能够在一定程度上缓解这种波动性，提高系统的可靠性。

在资源使用方面，研究指出，风能驱动的系统在水和土地使用方面的负担显著低于太阳能驱动的系统。例如，风能驱动的系统在水使用方面仅需0.007–0.16 m3/kgH?，而太阳能驱动的系统则高达0.009–0.16 m3/kgH?。这种差异主要源于太阳能板制造过程中对硅的高需求，以及其对土地的占用。相比之下，风力涡轮机的制造对土地的影响较小，因此在土地使用方面具有明显优势。

然而，研究也指出，某些环境影响类别（如臭氧层破坏）在风能和太阳能驱动的系统之间存在显著差异。例如，太阳能驱动的系统由于在硅制造过程中使用了臭氧消耗性化学品，导致其臭氧层破坏影响比风能驱动的系统高出14倍。因此，选择合适的材料和工艺对于减少这种特定的环境影响至关重要。

### 敏感性分析与区域差异

为了评估模型的不确定性，研究采用了蒙特卡洛模拟，对关键参数（如电堆电压、辅助设备的电力消耗、堆栈寿命和电压降解率）进行了±20%的波动分析。结果显示，电堆电压对环境影响的影响最为显著，其变化可能导致大多数影响类别出现±18%的波动，而水使用的影响则出现±10%的变化。相比之下，辅助设备的电力消耗、堆栈寿命和电压降解率对整体影响的影响较小，通常在±1%以内。

此外，研究还分析了不同地区对LAWE系统环境影响的差异。例如，在全球和欧洲市场数据下，酸化、人类毒性、烟雾形成等影响类别相比美国数据分别高出60%和55%。这种差异主要源于不同地区在金属开采、冶炼以及电力生产方面的不同方式。相比之下，澳大利亚和美国的数据在大多数影响类别上较为接近，表明这些地区在资源获取和制造过程中的相似性。

### 制氢技术路径的比较

本文还比较了不同制氢技术路径的环境影响。例如，核能和水电驱动的电解技术碳排放量显著低于风能和太阳能驱动的LAWE系统，但其应用范围相对有限。相比之下，传统的蒸汽甲烷重整（SMR）和煤制氢技术虽然在某些方面具有成本优势，但其碳排放量远高于电解制氢。通过碳捕集与封存（CCS）技术，SMR和煤制氢的碳排放可以大幅降低，甚至接近风能驱动的LAWE系统的水平。然而，CCS技术的应用仍然面临技术、经济和政策方面的挑战。

此外，研究还提到一些新兴的制氢路径，如生物能源制氢、地热制氢以及基于二氧化碳富集水的橄榄石蛇纹化反应。这些技术虽然在某些情况下具有负碳排放的潜力，但目前缺乏足够的技术经济分析和实际数据支持。因此，其应用仍处于早期探索阶段，需要更多的研究和验证。

### 研究意义与未来方向

本研究的发现对于推动LAWE技术的规模化部署具有重要意义。首先，先进的“零间隙”堆栈设计和回收策略显著降低了环境和资源负担，这为未来绿色氢能生产提供了可行的路径。其次，研究揭示了电力来源对制氢系统整体影响的关键作用，特别是在碳强度、水和土地使用方面。因此，优化电力系统设计、减少电力波动性以及提高电力利用效率对于降低LAWE的环境影响至关重要。

然而，研究也指出了当前LAWE技术在生命周期评估方面仍存在一些挑战和局限。例如，现有数据主要来源于文献，缺乏对先进堆栈和辅助设备的详细信息，导致模型在某些方面存在不确定性。此外，研究仅考虑了1:1系统规模（即48 MW的电解系统与48 MW的电力来源直接连接），而在实际部署中，系统规模可能因地区条件和经济因素而有所不同。因此，未来的研究应进一步探索不同规模下的环境影响，并结合经济优化模型，以评估不同配置下的综合效益。

总的来说，本研究通过构建详细的生命周期模型，揭示了LAWE技术在不同设计、电力来源和回收策略下的环境影响差异。这些结果不仅为政策制定者和工业界提供了重要的决策依据，也为进一步优化氢气生产技术、推动绿色能源转型提供了理论支持和实践指导。随着更多数据的积累和先进技术的推广，LAWE有望成为未来低碳能源体系中的关键组成部分。