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生物质制氢系统通过生命周期评估比较了电解氧与空分氧两种氧气源在低/高碳强度电网下的性能，发现高压气化（BG-27）在减排与成本间取得最佳平衡。
萨米拉·罗斯托姆（Samira Rostom）| 马克·杜谢纳（Marc Duchesne）| 罗伯特·西蒙兹（Robert Symonds）| 罗宾·W·休斯（Robin W. Hughes）
加拿大自然资源部，CanmetENERGY-Ottawa，地址：1 Haanel Drive，渥太华 K1A 1M1，加拿大
摘要
本研究对四种从摇篮到大门（cradle-to-gate）的生命周期评估进行了分析，这些评估涵盖了生物质转化为氢气的路径，并整合了碳捕获和储存技术。这些路径包括在2巴和27巴压力下的氧化燃烧（oxy-combustion）和氧化气化（oxy-gasification）过程，其中氧气来源可以是电解槽自产的氧气，或者在某些气化案例中使用低温空气分离装置（cryogenic air-separation unit）来获取。功能单位是1千克压缩至71巴压力的氢气。研究使用了openLCA模型来模拟低碳强度（以氢能或核能为主导）和高碳强度（以化石能源为主导）的加拿大电网。生物碳的量化采用了特定原料的生物质再生全球变暖潜力因子（biomass-regrowth global warming potential factor），并与气候中性基准进行了比较。
在低碳强度的电网下，所有集成电解槽的系统均为净负排放，气化过程比燃烧过程多去除约21-23%的二氧化碳当量。如果使用空气分离装置提供的氧气，总碳去除量大约翻倍：大约一半的氢气产出会捕获二氧化碳，从而使每千克氢气的二氧化碳排放量减半，并且氧气供应所需的电力消耗减少近一个数量级。在高碳强度的电网下，集成电解槽的系统变为净正排放，而使用空气分离装置的系统仍然保持净负排放（每千克氢气约减少3至5千克二氧化碳当量）。
在低碳供应的情况下，生物质再生全球变暖潜力因子的值决定了最终结果：采伐树木导致的净排放量比气候中性情况下减少约58%，而森林残余物导致的净排放量减少约82%。其他因素（如工艺压力、生物质和二氧化碳的运输方式以及未来电网的脱碳程度）对结果的影响相对较小。技术经济整合表明，在没有二氧化碳信用额的情况下，魁北克和安大略省类似的电网中，使用电解槽产氧的氢气平准化成本（LCOH）低于使用空气分离装置产氧的氢气平准化成本；而如果有二氧化碳信用额，使用空气分离装置产氧的氢气平准化成本更具优势，因为其每千克氢气的二氧化碳去除量更高，且碳减排成本更低。
引言
氢气（H?）越来越被视为全球脱碳战略的基石，既可作为能源载体，也可作为低碳燃料、化学品和发电的工业原料（国际能源署，2023年）。然而，全球超过95%的氢气仍来自化石燃料路线，如蒸汽甲烷重整（SMR）和煤制气（coal gasification），这些过程每生产1千克氢气会排放约9-10千克二氧化碳（国际能源署，2022年）。因此，要实现《巴黎协定》规定的净零排放目标，需要使用低碳或负碳的氢气系统来替代化石燃料生产的氢气（政府间气候变化专门委员会，2023年）。
在净负排放技术中，带有碳捕获和储存（BECCS）的生物能源仍然是少数能够实现净二氧化碳去除的同时提供热能和/或电能的可行选项之一（政府间气候变化专门委员会，2023年）。当生物质用于燃烧或气化，并且产生的二氧化碳被捕获并永久储存时，如果森林采伐和再生管理得当，这一过程可以实现净负排放（Basu，2010年）。在加拿大，由于可持续的森林残余物和受管理的木材供应链丰富，BECCS成为加拿大氢能战略中化石基碳捕获和可再生氢能计划的可行补充（Zen and the Art of Clean Energy Solutions，2020年）。
加拿大拥有丰富的生物质资源和地质储存潜力，但大规模的BECCS应用仍然有限，目前大多数与生物质相关的碳捕获和碳去除活动仍处于试点或示范阶段。例如，在森林产品设施中进行的碳捕获示范项目旨在捕获锅炉/回收单元烟气中的生物源二氧化碳；还有一些早期BECCS开发项目提出了将生物质转化与二氧化碳捕获和永久储存相结合的方法（KRUGER IMPLEMENTS）。根据标准的技术成熟度（TRL）定义，这些项目大致对应于TRL 6-7阶段（试点到示范阶段），这突显了生命周期评估在指导加拿大电网和生物质供应条件下的近期扩大决策方面的价值。
水电解技术的并行发展在可再生氢气生产和BECCS之间创造了强大的协同效应。将电解槽产生的氧气（O?）整合到生物质转化过程中，可以实现氧化燃烧或氧化气化，从而消除氮气稀释问题，简化二氧化碳捕获过程，并减少下游压缩能耗（Symonds等人，2020年）。相比之下，低温空气分离装置（ASU）仍然是传统的氧气来源，虽然其单位能量使用效率较低（约0.6千瓦时/千克氧气），但需要专用的大规模设备。Rostom等人（Rostom等人，2025年）的先前技术经济分析表明，加压氧化气化（BG-27）可以实现最低的氢气平准化成本（LCOH，3.91美元/千克氢气），但在统一的加拿大电网背景下，比较电解槽产氧和空气分离装置产氧的生命周期分析仍然有限。
以往关于BECCS和生物质制氢系统的研究已经证明了当生物质转化与高效二氧化碳捕获和永久储存结合时可以实现净负排放的潜力。然而，相关文献在工艺配置和评估方法上存在碎片化现象（政府间气候变化专门委员会，2023年）。许多研究单独评估基于燃烧或气化的BECCS系统，或者只关注单一的操作压力，限制了不同配置之间的交叉比较。此外，许多评估隐含地假设了氧气供应方式（或采用传统的空气分离装置），而大规模电解技术的发展引入了另一种氧气来源，这可能显著改变能源需求和上游电力相关的影响（Rostom等人，2025年；Air-liquide-e-c-standard-plants-september-2017；Pfaff和Kather，2009年；Castle，2002年）。同时，一些研究采用了简化的生物碳假设，没有明确考虑生物质消耗与空间供应物流（运输半径）或电网强度条件之间的关系（Cherubini等人，2011年；Guest等人，2013年；Guest等人，2013年；Searcy等人，2007年；Gan和Smith，2011年；Canada’s Energy Future）。
本研究通过开发四种集成BECCS-H?配置的归因性生命周期评估，系统地比较了（i）氧化燃烧与氧化气化，（ii）常压操作与加压操作（2巴和27巴），以及（iii）电解槽产氧与空气分离装置产氧在加拿大电网条件下的差异。该分析基于Aspen HYSYS模拟平台，并与Rostom等人（Rostom等人，2025年）之前的技术经济分析（TEA）设计基础和关键性能趋势保持一致。方法上，生命周期评估整合了使用特定原料的生物质再生全球变暖潜力因子（GWPbio）的动态生物碳核算（Cherubini等人，2011年；Guest等人，2013年；Guest等人，2013年；Guest等人，2013年）、根据加拿大森林残余物产量校准的空间生物质物流（Forest Biomass Supply Information System，2022年；Searcy等人，2007年；Gan和Smith，2011年），以及基于加拿大能源监管机构（CER）情景和环境与气候变化加拿大（ECCC）规定的电网脱碳敏感性的分析（Emissions Reduction Plan；Canada’s Energy Future）。这些要素共同促进了在加拿大电网和生物质供应条件下配置和氧气供应选择的协调比较。
部分内容摘录
工艺配置和简化示意图
评估了四种生物质制氢（bio-H?）配置，将这些配置扩展到从摇篮到大门的生命周期框架中。每种配置都结合了氧气燃烧或氧化气化转化单元，以及集成的二氧化碳捕获和压缩技术，不同之处仅在于工艺类型和操作压力（表1）。为了确保系统间的一致性，使用了经过热处理的颗粒作为共同原料。
在27巴压力下的加压操作
基准案例结果：不同电网强度下的电解槽集成系统
表S2提供了每种配置（BC-2、BC-27、BG-2、BG-27）的质量、能量和二氧化碳捕获的汇总数据，基于Aspen HYSYS模拟结果（Rostom等人，2025年）。
图4和图5展示了所有电解槽集成配置在低碳强度和高碳强度电网下的从摇篮到大门的温室气体强度，包括氧化燃烧（BC-2、BC-27）和氧化气化（BG-2、BG-27），使用的是高热值（HT）生物质。为了清晰起见，所有小于0.2千克二氧化碳当量/千克氢气的贡献被合并计算。
生物质类型的影响
为了单独评估原料碳核算的影响，使用了三种生物质类型（HT、FR和CN生物质）来评估BG-27配置（加压气化结合电解槽产氧）。所有上游生命周期阶段、电力使用、颗粒生产、二氧化碳运输和注入以及公用设施的成本均固定在高热值情况下的值（表S3-S4），因此只有生物源二氧化碳吸收量根据原料来源和再生情况而变化。
如图6所示，生物质类型的变化
独立电解槽基准
图13比较了在低碳强度和高碳强度电网下，独立电解制氢的从摇篮到大门的温室气体强度，考虑了两种氧气管理方式：排放氧气和出售氧气（系统扩展方式）。在低碳强度电网下，电解制氢的生命周期排放接近零，当氧气被排放时为1.35千克二氧化碳当量/千克氢气；当氧气作为副产品出售给外部用户时，排放量略低（1.23千克二氧化碳当量/千克氢气）。
加拿大特定的成本-减排整合
本节整合了在加拿大电力条件下的BG-27配置的技术经济（LCOH）和生命周期（GHG）结果。QC代表以水能为主导的低碳电网；ON代表中等碳强度、受化石能源影响的电网。对于LCCM（Life Cycle Cost Mitigation），每个省份都使用自己的独立电解槽（出售氧气）作为参考，反映了当地的电网强度和电价。相应的参考排放量和成本分别为1.23千克二氧化碳当量/千克氢气和2.97美元/千克氢气。
对加拿大的政策与部署影响
这些结果揭示了政策与技术之间的微妙权衡。对于加压气化（BG-27）配置，由于每千克氢气捕获的二氧化碳量更多，ASU-O?系统的温室气体去除效果是电解槽-O?系统的2-5倍，但资本和运营成本也更高。在二氧化碳信用额较低（<150美元/吨二氧化碳）的情况下，电解槽-O?系统的LCOH更低，并且在更高的二氧化碳信用额下表现出更强的成本减排性能（更负的LCCM）。
结论
这项从摇篮到大门的评估表明，氧化BECCS是加拿大实现净负排放氢气生产的一种可扩展途径。加压气化（BG-27）在产量、效率和气候性能方面达到了最佳平衡。在低碳强度电网下，所有配置都能实现显著的二氧化碳去除；而使用ASU-O?替代方案则将氢气生产完全从温室气体正排放转变为温室气体负排放的BECCS，二氧化碳捕获量翻倍，同时将氧气相关的电力需求减少了约90%。
CRediT作者贡献声明
萨米拉·罗斯托姆（Samira Rostom）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、项目管理、方法论研究、数据分析、概念化。
马克·杜谢纳（Marc Duchesne）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论研究、数据分析、概念化。
罗伯特·西蒙兹（Robert Symonds）：撰写——审稿与编辑、方法论研究、概念化。
罗宾·W·休斯（Robin W. Hughes）：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论研究、资金支持。
