审查和协调的生命周期全球变暖影响PV-Powered通过电解制氢

介绍

用氢作为可持续燃料的兴趣不断增加,其生产的生命周期环境绩效是获得的重要性。氢通常被认为是一种清洁燃料,因为缺乏排放在其使用。然而,到目前为止,氢的主要生产过程蒸汽甲烷重整和煤炭气化,这两种,由于使用化石燃料,导致大量温室气体的排放,这是副产品氢的生产(Bundesministerium毛皮经济和科特布斯(BMWi), 2020年;国际能源署,2019)。为了有助于减排目标,制氢是由可再生电力来源,如光伏系统(Dincer Acar, 2015)。生命周期评估(LCA)可以用来衡量和比较不同的氢链的可持续性。LCA通常被定义为一个编译和评估的输入、输出和潜在环境影响的产品系统在整个生命周期后DIN 14040和DIN 14044 (DIN 14040、2006;DIN 14044、2006)。

从文献研究中,发现几乎所有的LCA研究通过电解制氢报告全球变暖潜力(GWP)以下单位:千克有限公司₂情商H /公斤₂。全球最大的影响是造成电力供应氢的生产(Koroneos et al ., 2004;Granovskii et al ., 2006;Granovskii et al ., 2007;Lombardi et al ., 2011;Ozbilen et al ., 2011;西蒙斯et al ., 2011;内et al ., 2012;佩雷拉,科埃略,2013;Suleman 2014;Reiter Lindorfer, 2015;Suleman et al ., 2015;施密特里维拉et al ., 2018;Lundberg 2019)。班达里的评论等。班达里et al ., 2014),瓦伦特et al。(瓦伦特et al ., 2017)和Mehmeti et al。(Mehmeti et al ., 2018)演示GWP结果变化取决于所使用的电力来源。

最好的作者的知识,没有丰富的LCA研究PV-powered目前现有的制氢。这样的评论可能会有用,因为每公斤现在pv值排放氢在文献中发现显著变化,通常是由于不同的系统边界假设没有可比性,系统大小、方法和功能单元(FU)。因此,这项工作的目的是填补这一空缺通过识别这些差异并提出一个比较和谐的结果从不同的lca PV-powered氢生产。通过这种方式,可以开发更容易理解和类似框架。为了实现这一目标,13 LCA研究(Koroneos et al ., 2004;Granovskii et al ., 2006;Granovskii et al ., 2007;Lombardi et al ., 2011;Ozbilen et al ., 2011;西蒙斯et al ., 2011;内et al ., 2012;佩雷拉,科埃略,2013;Suleman 2014;Reiter Lindorfer, 2015;Suleman et al ., 2015;施密特里维拉et al ., 2018;Lundberg 2019)PV-powered氢生产技术选择、分析和协调。作为参考的协调框架,指导文档发布的欧盟和弗劳恩霍夫伊势的框架建议LCA氢生产应用(Masoni Zamagni, 2011;Lozanovski et al ., 2013)。协调允许GWP之间的直接比较这些研究的结果,通过重新计算采用的相同的范围、功能部件和系统边界。

方法

生命周期评估方法

LCA是一个有价值的工具来分析任何系统或产品的环保性能。LCA通常被描述为一个编译和评估的输入,输出,和潜在环境影响的产品系统在整个生命周期。LCA研究包括四个主要阶段,通过ISO标准覆盖(DIN 14044;ISO 14040:2006) (DIN 14040、2006;DIN 14044、2006):1)目标和范围定义,2)库存分析,3)影响评估和4)解释。在以下,每一步不久将被介绍给读者。

LCA的第一步是用于定义的目标和范围的研究。在第二步中,生命周期库存(LCI)模型进行了分析,通过数据收集和组织。LCI分析量化与个人相关的所有基本流过程,即质量(材料和资源)和能量流动,土地使用,排放到空气、水、土壤、和产品流程的输出。第三步是生命周期影响评价(LCIA)。它是用来理解所有的输入和输出的相关性环境框架。第四步是解释它涵盖了系统的技术来识别、检查和评估信息造成LCIA(见图1)。

由于对全球气候的影响,温室气体排放是当今能源政策的主要因素,因此他们的量化是必不可少的任何比较能源技术评估。回顾了研究的LCIA因此完成全球变暖的影响范围和使用的指标对气候变化的贡献。这些温室气体排放和GWP的只是一些输出,,然而,对这个应用程序很重要,因为假定使用氢能源和运输的温室气体减排的过渡。额外的LCA影响类别根据其应用领域可以有趣的氢酸化潜力(美联社),(EP)潜在富营养化,光化学臭氧创造潜力(POCP) (Masoni Zamagni, 2011;Lozanovski et al ., 2013)。100年全球变暖潜力的基础上,应用最新的联合国政府间气候变化专门委员会,根据他们的辐射强迫能力相对于对照品有限公司₂。全球变暖潜力(GWP)在生命周期阶段给出公斤有限公司₂等价的。GWP可以归一化有限公司₂相当于排放来描述整个对全球气候变化的贡献。有限公司₂包括所有主要排放的CO₂(GWP = 1), CH₄(GWP = 25), N₂O (GWP = 298)和氯氟化碳(GWP = 4750 - 14400)和计算在一个著名的LCA工具名为加比(Thinkstep 2019)。

通过光伏电解制氢

电解系统分析了电解槽研究碱性和质子交换膜(PEM)电解槽。这些电解槽生产氢在低温下,没有任何外部加热。因此,他们的操作只能由光伏系统发电。碱性电解槽有两个电极操作在液体碱性电解质溶液的氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(氢氧化钠)。阳极(正极)通常由镍和铜和涂有金属的氧化物如锰、钨和钌。负极(阴极)通常是由镍、涂上少量的铂作为催化剂。气体分离器或隔膜,避免混合使用的氢气和氧气分子,尽管它允许自由流动的离子。据报道,碱性电解槽的寿命30年,然而,电极和隔膜7 - 15年后必须更换。碱性电解剂产生的氢气的纯度达到99.9卷%没有辅助净化设备。碱性技术并非刻意要灵活,即它历来在恒定载荷和最大经营效率以满足工业需求。

另一方面,PEM电解槽不需要任何液体电解质。相反,取而代之的是不透气的薄聚合物膜(见图2)。合成聚合物电解质,通常是用作膜材料,限制了寿命预期15 - 20年。氢气的纯度通常高于99.99卷%。由于质子运输通过PEM快速反应力量波动,PEM电解槽有更高的效率较低的电流密度。因此,断断续续的光伏电力作为能源可以有效地用于电解槽PEM。所需的能量的理论极限是39.4千瓦时每千克氢效率。PEM电解槽操作在低电流密度可能方法效率极限。虽然有一些主要差异PEM和碱性技术,LCA -相关的输入和输出都是相似的技术。

选择和协调的过程

13个研究,包括10同行评议的论文(Koroneos et al ., 2004;Granovskii et al ., 2006;Granovskii et al ., 2007;Lombardi et al ., 2011;Ozbilen et al ., 2011;内et al ., 2012;佩雷拉,科埃略,2013;Reiter Lindorfer, 2015;Suleman et al ., 2015;施密特里维拉et al ., 2018)和三个报告lca (西蒙斯et al ., 2011;Suleman 2014;Lundberg 2019)PV-powered制氢技术,被选为这个审查和随后的全球协调的过程。该研究报告发表在2004年和2019年之间。这些出版物被搜索的电子数据库ScienceOpen专家SpringerLink和斯高帕斯使用关键字“氢”,“光伏”、“生命周期评价和审查文章的引用列表。搜索被限制标题和关键词。没有语言加以限制,出版日期。因为这项工作的重点是基于光伏制氢,系统的边界对应cradle-to-gate方法(见定义图3)。这个范围提供了一个健壮的方法来解释各种程度的研究氢压缩和排除传输和应用。基本操作的输入电和去离子水。生产1公斤氢气,55 - 57.5千瓦时的电力和9 - 10 L的水是必需的(10,14、15)。必须去离子的水来抑制不良的电化学反应。

协调过程,最后协调功能单元(FU条件_哈尔)的纯度、压力和温度被定义为“提供1公斤的氢”(纯度> 99% vol. 20 MPa的压力( $p_2)$ ,温度25°C)。这个选择是符合FC-HyGuide指导性文件和协调协议(Masoni Zamagni, 2011;Lozanovski et al ., 2013)。需要大量的电力压缩氢气。1公斤的压缩H₂从2 MPa初始氢压力(p₁20 MPa (p)₂1.18千瓦时)电气工作 $(W_{el})$ 是必要的(瓦伦特et al ., 2017)。使用初始氢压力和电力需求压缩,GWP压缩阶段的计算基于PV排放因素用于研究或默认值72克有限公司₂/千瓦时( $\text{E}$ )提出的协议(瓦伦特et al ., 2017)。

自从阶段氢压缩被排除在系统边界后,GWP必须重新计算的最后阶段。基于图4和表1,GWP 13研究协调和重新计算的结果指的是福_哈尔。技术方面的变化(如原料、操作条件和能力,裤子等等)的生命周期定义为每个案例研究的作者不协调的影响,只是在LCA方法的选择。

结果

协调全球生命科学标识符

回顾研究的大多数不能协调。总数34案例研究是预先确定,其中13可以协调(内et al ., 2012;Granovskii et al ., 2006;Granovskii et al ., 2007;Koroneos et al ., 2004;Lombardi et al ., 2011;Lundberg 2019;Ozbilen et al ., 2011;佩雷拉,科埃略,2013;Reiter Lindorfer, 2015;西蒙斯et al ., 2011;Suleman et al ., 2015;Suleman 2014;施密特里维拉et al ., 2018)。研究筛选后被排除在外,因为缺乏开放存取的数据;例如,GWP结果不分解成子系统和傅参数不能完全量化(Dincer Acar, 2015;班达里et al ., 2014;瓦伦特et al ., 2017;Mehmeti et al ., 2018;Utgikar Thiesen, 2006;Hacatoglu et al ., 2012;Kalinci et al ., 2012;Boyano et al ., 2011;Lotričet al ., 2021;赵et al ., 2020;Kovačet al ., 2021;Sharma et al ., 2020;小泽et al ., 2017)。因此,在这些情况下,是不可能把原来傅傅_哈尔1公斤的氢所需的系统边界。选择过程后,13 LCA´s电化学PV-based氢生产,所示表2,可以协调(Koroneos et al ., 2004;Granovskii et al ., 2006;Granovskii et al ., 2007;Lombardi et al ., 2011;Ozbilen et al ., 2011;西蒙斯et al ., 2011;内et al ., 2012;佩雷拉,科埃略,2013;Suleman 2014;Reiter Lindorfer, 2015;Suleman et al ., 2015;施密特里维拉et al ., 2018;Lundberg 2019)。

图5提出了一种比较原始和协调GWP结果显示平均0.27公斤有限公司的区别₂/富_哈尔和1.5公斤的最大区别₂/富_哈尔。GWP的审查研究平均3.71公斤有限公司₂/富_哈尔的中位数3.69公斤有限公司₂/富_哈尔。这些原始和协调GWP之间的差异主要是协调造成的压缩阶段,导致额外的排放0.24公斤有限公司₂/平均傅。在所有的研究除了Koroneos et al。(2004)和拉莫斯佩雷拉,科埃略(2013)更高的排放计算协调后由于额外的电力需求压缩氢气从最初的研究中使用的压力(0.1 -20 MPa)的目标压力协调(20 MPa)。在Koroneos et al。(2004)和拉莫斯佩雷拉,科埃略(2013)傅是液化氢。GWP压缩必须准确地量化后,重新计算原始GWP傅_哈尔和液化造成的排放是减去,导致低GWP傅_哈尔相比原来的结果。在的研究Lundberg (2019)电解槽的电力需求也被瑞典100%光伏电力取代基于加数据(Thinkstep 2019),导致排放高于光伏与水力混合植物最初用于研究。的研究Suleman et al。(2015)(Suleman et al ., 2015)显示了0.7公斤的最低GWP有限公司₂/富_哈尔和Lombardi的研究等。Lombardi et al ., 2011)6.6公斤的最高GWP有限公司₂/富_哈尔。这可以解释为不同的假设光伏电和电解槽的排放能源消耗。的研究Suleman et al。(2015)假设很小的PV排放因素。尽管电解槽的效率很低,原来GWP傅_哈尔是0.37。假设33.33千瓦时/公斤_氢和报告的效率0.46的电解槽,GWP值只能通过PV排放系数低于0.005公斤有限公司₂/千瓦时。与其他研究相比这个值似乎不切实际的低,但是,它可以通过PV的绿色生产。6.6公斤的高GWP结果有限公司₂/富_哈尔发现在Lombardi (Lombardi et al ., 2011)是由高排放因素的PV。这些都是基于旧光伏制造和性能数据从1995年到1997年结合假设光伏效率低和次要太阳能输出。同样,在拉莫斯佩雷拉,科埃略的研究(佩雷拉,科埃略,2013),德国的低辐射值(1000千瓦时/ m的日晒²)结合低效模块(11%)导致相对高排放因素的光伏组件,因此高GWP傅_哈尔。

GWP系统中涉及的各个阶段的生命周期的影响(例如,净化、压缩、存储、分配、和使用)并不总是报道,因此不能完全分配。5研究准确地描述子系统和将结果分成的贡献的影响光伏系统,电解槽,压缩和运输。图6演示结果,允许直接比较的阶段。然而,由于使用不同的参数,解释应该只基于背景资料完成表2。在所有的研究中,光伏发电是最大的过程导致整体采用。然而,光伏研究之间的影响相差很大。的主要原因是不同的效率,因此用电量的电解槽,光伏技术和生产、使用和操作时间的位置。电解槽的效率58%之间的不同(西蒙斯et al ., 2011报告)和78% (内et al ., 2012;西蒙斯et al ., 2011)不报告的一生。光伏技术分析也不同(Granovskii et al ., 2006,Granovskii et al ., 2007和内et al ., 2012):分析BIPV薄膜技术。装配multi-crystalline硅电池板的效率被认为是14% (施密特里维拉et al ., 2018),假设日晒的5.5千瓦时/ m²。天对应的平均太阳照射赤道地区。其他的研究不国家任何特定技术(施密特里维拉et al ., 2018)。假设20年的操作,(Granovskii et al ., 2006,Granovskii et al ., 2007和内et al ., 2012)假设30年的操作。除了(西蒙斯et al ., 2011分析电解槽PEM),所有的研究重点。不幸的是,没有得到足够的信息来理解为什么电解槽的影响似乎是不同的。最终压力变化在0.45 MPa之间用于报告的研究(西蒙斯et al ., 2011)和35 MPa用于(Granovskii et al ., 2007。Granovskii et al ., 2006)承担较低的等温压缩效率为0.65,而更高的最后20 MPa的压力和更低的燃气轮机电厂用于压缩效率。这将导致更高的压缩采用阶段。协调后,最终压力是20 MPa和GWP分别演示了“额外的压缩”阶段。

敏感性分析

以下参数会影响GWP结果:电解槽制造业数据(技术选择,能力)、操作条件(满载小时长的预期寿命)和电力排放。电解槽系统方面(技术能力)GWP结果几乎没有影响。GWP PEM和碱性技术有非常相似的结果,不显示任何主要区别在LCI (Utgikar Thiesen, 2006;Hacatoglu et al ., 2012;Kalinci et al ., 2012)。因此,大多数研究使用一个“黑匣子”,不关注GWP堆栈和平衡的植物。操作条件对GWP有更大的影响。假定通常,满载40000小时左右,期间产生的氢气量估计寿命计算乘以电解槽生产/小时的一生。效率和成本可以表示生产的电力需求(杨和奥格登,2007年)。电解槽效率的影响上分析了GWP Reiter et al。(Reiter Lindorfer, 2015)。两倍的电力需求₂生产会导致增加GWP 87至近100%。因此,氢的排放造成的电力需求生产主导其GWP,独立操作的假设。

与电力相关的排放输入氢主要取决于光伏技术和光伏性能(如辐照基于位置和取向、降解率、一生的期望)。施密特的研究里维拉et al。施密特里维拉et al ., 2018)关注光伏系统的效率的影响从11 17%和日晒的水平。结果表明,GWP并不显著影响效率。了解影响GWP的氢,我们模仿氢LCA的软件加比(Thinkstep 2019)使用不同的光伏输入和制氢的位置。最完整的1兆瓦LCIAs PEM堆栈和平衡的植物建模是基于数据从Bareißet al。(Bareißet al ., 2019)。电解槽栈的材料流动和平衡的植物附录A1,A2全氟磺酸膜的数据不可用,这样的数据perfluorosulfonyl氟化物已使用。电解槽使用的参考的数据是2019。光伏发电组合(CdTe CIS,单晶的和multi-crystalline)模型是基于ecoinvent数据库(的背景资料Wernet et al ., 2016)。数据集覆盖所有相关流程步骤和技术沿着供应链。库存部分是基于主要行业数据;对二手文献数据部分。最重要的发电技术被认为是根据国家的情况。模型是基于全球平均市场组合安装的光伏技术:Mono-Silicon 42%, Multi-Silicon 47%,碲化镉(CdTe) 7%, cigd 4%。对辐照度值和光伏性能的假设主导全球光伏。因此,之后的LCA模型详细分析了国家作为电解操作区域:德国(DE)、意大利(IT)、中国(CN)、葡萄牙(PT)。所有技术都是模仿单独基于国别年度辐照度值应用于加比(Thinkstep 2019)和ecoinvent数据库(Wernet et al ., 2016)。

制造和操作整个系统被认为是在模型中。关键光伏特性被报告IEA-PVPS任务12 (Frischknecht et al ., 2020)。这些如光伏降解率为0.7% /年和20年的寿命。氧气通过电解水产生以来在技术上是不习惯作为一个副产品,并没有发生多功能化。此外,由于氢生产1公斤的要求不同55至57.5千瓦时,两个不同的场景是每个国家为:57.5千瓦时的“高能源需求场景”和“低能源需求场景”55千瓦小时。调整了这种需求有很大影响GWP氢(见的结果图7)。操作阶段占主导地位的环境影响在一生。GWP的氢从光电高能源需求场景仍表现出较低GWP比fossil-dominated鼻中隔黏膜下切除术后选择生产方法像或煤的气化。专家估计,在不久的将来小水电解的效率改进可以预期(施密特et al ., 2017)。更好的效率将导致能源需求降低氢氢的生产,从而减少GWP每公斤。增加的效率低GWP的电解槽的结果是一个近似的线性相关性。

结论

大多数的环境影响电解槽的寿命期间发生的用电操作阶段。即使对PV电解供电,电力使用对环境影响的决心是至关重要的。选择过程进行的这项研究显示,多数研究表明偏离LCA社区内的发展影响评价方法。许多LCA评审的不完整的报告不可能引起GWP协调的结果。协调后的结果和敏感性分析表明,生存能力高度取决于该地区的部署和用例场景。所有的审查研究证实,氢装置的设计有更少的影响,不同的电解槽技术(例如,PEM和碱性)也有类似的结果。然而,工厂的电力消耗和PV排放因子,用于覆盖的需求,产生大影响GWP的氢。后剩下的区别研究协调流程所示图5。甚至和谐GWP结果介于0.7和6.6公斤有限公司₂情商/傅_哈尔根据用例。原始之间的差异和协调全球范围1.5公斤有限公司₂情商/傅_哈尔在个别情况下主要是协调的压力造成的。基于前面的研究结果,最低的GWP, Suleman et al。(Suleman 2014),可以确认为“绿色”电场景,在乐观电解器和光伏低排放的低消费。

在未来,创新技术的PV应分析更准确。如果制造一个环保的方式,他们提供的机会减少GWP氢排放因子的降低电力消耗。长时间的操作时间和回收选项的生态效益另外应该包含在进一步的分析。基于综合数据库,一套完整的和谐的生命周期可持续性指标来分析除了GWP。

制氢系统的进一步研究,作者强烈推荐1)把整个系统分解成定义良好的子系统和使用压缩LCA的最后阶段和/或2)提供能量输入/ GWP结果分解为不同的阶段。的情况下的系统边界LCA并不局限于生产工厂,赋1千瓦h(低热值)氢也可以用来评估氢的环境可持续性。如果使用阶段的氢是研究的焦点,赋1千瓦时(低热值)可以简化的比较与其他能源燃料的环境影响。氢的运输和分配的结果通常应该提出分开生产,以避免不受欢迎的组合,并把注意力集中在不同的交通场景的影响,选择把生产途径和不同分布的可能性。

作者的贡献

概念化- AR, UR, KD, KB;方法——好吧,基于“增大化现实”技术;软件和验证——好;形式分析- KB;原创作品草稿准备好;writing-review和编辑——基于“增大化现实”技术、知识库、KD和你;监督- AR。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。

资金

这项研究由联邦资助教育和研究项目的框架的YESPV-NIGBEN格兰特号:03 sf0576a。作者宣称没有利益冲突。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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引用

附录