如何理解清洁氢的碳足迹

• 全球正在努力扩大氢作为清洁燃料的生产、储存和利用规模。

• 尽管新的监管框架不断出现，氢的碳强度方面仍面临挑战。

• 美国国家可再生能源实验室（NREL）的最新数据被用于测算绿氢生产的参考碳足迹。

将氢用作清洁燃料并非新想法。过去的氢经济部署努力普遍未能成功，原因包括技术成熟度不足、经济性困难以及缺乏配套政策框架。如今，生产、储存和利用氢所需的设备已具备商业化条件，全球大规模生产氢的努力也正在加速推进。

此外，《巴黎协定》，以及近期的《欧洲绿色协议》、《通胀削减法案》（IRA）和欧洲氢能银行的设立等监管框架，正迅速使氢能产业成为现实。尤其是，《通胀削减法案》提供了高达每千克氢气3美元的补贴，对经济发展起到了有力推动作用。尽管已付出大量努力，氢能产业仍有待应对众多技术、经济和政策方面的挑战，其中之一便围绕氢的碳强度及颜色命名体系展开。

能源技术的碳足迹

过去二十年间，社会对化石燃料及其各自碳足迹的认识不断深化，但我们往往忽视了可再生能源发电并非完全零碳。总体而言，与化石燃料同类技术相比，可再生能源技术的碳足迹显著更低；然而，在某些情况下，其全生命周期的碳排放可能相当可观。

这些排放大多来自制造过程，而目前的制造过程在很大程度上依赖化石燃料发电，或依赖各类碳质材料来加工相关部件。例如，大多数此类技术所用的钢材，约占全球二氧化碳排放量的7%至9%。此外，多晶硅生产依赖煤炭还原二氧化硅，以制得冶金级硅，随后再将其加工成太阳能电池板或其他半导体产品。

绿色氢能成为未来极具前景的燃料的三个原因

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可再生能源发电中，二氧化碳排放的其他一些主要来源，来自这些技术从制造地运往部署地的运输环节。此外，部分可再生能源技术在部署时可能需要坚实的地基或额外的混凝土结构，例如水电项目中，水库型水电方案需要混凝土大坝、溢洪道和厂房。

地热能的高碳足迹通常与地热电厂运行期间地下二氧化碳的排放有关。据世界银行统计，地热能的平均二氧化碳排放量为每千瓦时122克二氧化碳当量，而某些地热电厂在初期可能排放高达每千瓦时1200克二氧化碳，不过，预计这些排放量将随时间推移而减少。

位于科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室（NREL）对发电的温室气体全生命周期排放进行了评估，并得出结论：尽管可再生能源和核能的排放所产生的二氧化碳足迹显著低于化石燃料发电，但部分可再生能源技术的排放水平可能高于每千瓦时200克二氧化碳当量（见图1）。

图1. 各类发电技术的温室气体排放，以其全生命周期的平均值表示。数值以每千瓦时发电量的二氧化碳克数表示。数据来源于NREL的报告：Nicholson, Scott and Heath, Garvin (2021) Life Cycle Emissions Factors for Electricity Generation Technologies. National Renewable Energy Laboratory。

按能源来源划分的氢生产碳足迹

利用上述NREL数据，并假设电解槽耗电量为每千克氢气48至58千瓦时，本文推算出了每千克所产氢气的碳足迹。该计算未包括氢气运输、压缩或进一步转化为氢衍生物所产生的排放。电解槽及其他相关设备制造所产生的排放，以及电解槽设施部署所产生的排放，同样未计入。因此，这些数值可能偏高。

图2. 不同能源来源制氢的参考碳足迹范围。所列数值基于图1中的NREL数值，并假设电解槽耗电量为每千克氢气48至58千瓦时。上述数值未包括氢气运输、压缩或进一步转化为氢衍生物所产生的排放。蒸汽甲烷重整和煤气化的碳足迹数值取自落基山研究所：Koch Blank, Thomas and Molly, Patrick (2020) Hydrogen's Decarbonization Impact for Industry – Near-term Challenges and Long-term Potential. Rocky Mountain Institute。

与使用化石燃料发电制氢相比，利用可再生能源或核能制氢的碳足迹显著更低，但在某些情况下，很难称可再生能源制氢为零碳（见图2）。生物质是一个值得关注的案例，其二氧化碳排放量从负48千克到接近76千克二氧化碳当量每千克氢气不等。这使得生物质制氢在碳强度方面，要么为负碳，要么与化石燃料制氢相当。

尽管本文的目的是对不同来源制氢的碳排放进行非常高层次的评估与比较，但部分读者可能会质疑：我们先使用生物质或化石燃料发电，再通过电解将电力转化为氢气。气化或通过蒸汽甲烷重整制氢的碳足迹很可能低于上述数值。因此，我们参考了落基山研究所此前一项研究中关于化学制氢的碳加工足迹数值进行比较。

不断演进的认证体系

关于低碳氢认证的讨论和发展仍在持续进行。根据碳足迹，氢被赋予不同的颜色分类。碳强度因所采用的认证体系不同而有所差异。部分国家可能拥有自己的认证体系，而其他国家的相关体系仍在制定之中。此外，国际组织以及TÜV Süd等认证机构也已制定了各自的认证框架。

鉴于图2所示的碳强度，这些认证体系是否合理？这一问题的答案可见于图3，视情况而定。以绿色氢能组织设定的最低门槛每千克氢气1.0千克二氧化碳当量为例，在极端最低情况下，所有可再生能源和核能均可满足低于每千克氢气1.0千克二氧化碳当量的门槛；然而，在极端最高情况下，没有任何一种技术能够满足这一要求。中国氢能联盟设定的二氧化碳排放门槛最为宽松，即每千克氢气4.9千克二氧化碳当量。即使在最极端的情况下，水电、风电和海洋能发电仍可满足这一4.9千克二氧化碳当量的门槛。

图3. 绿氢认证体系碳强度门槛的比较。为便于呈现，所列能源来源仅限于落在认证范围内的能源。

在推进氢能项目时，我们需要注意，不能想当然地认为通过水电解利用可再生能源生产的氢气必然被归类为绿氢或低碳氢，而有必要了解氢在价值链每个环节的碳足迹。随着可再生能源投入运行的规模不断扩大，可再生能源发电的碳足迹将随之下降，因为将有更多可再生能源用于开采和加工这些技术所需的原材料。设备运输和可再生能源发电设施部署同样适用这一道理。

氢能认证体系仍相对不成熟，且由于缺乏可用项目，尚未在实际应用中得到广泛检验。随着氢能产业逐步成熟，这些认证体系将不断演进，以满足生产者、客户和监管机构的需求。