2024年10月15日，瑞士洛桑联邦理工工学院IPESE和GEM团队在Joule期刊上发表了一篇题为“Comparative life cycle analysis of electrolyzer technologies for hydrogen production: Manufacturing and operations”的研究成果。

该成果对四种主要的电解槽技术，碱性电解槽（AEL）、质子交换膜电解槽（PEM）、阴离子交换膜电解槽（AEM）和固体氧化物电解槽（SOE）进行了详细的生命周期评估。研究着重分析了这些技术从制造到投入市场运营的全生命周期内的环境影响，分析涵盖了不同的电力来源和运营条件下的场景。

论文的通讯作者是韦欣怡，温渡博士，Manuele教授，Francois教授，Jan教授；第一作者是韦欣怡。

电解槽制造阶段：对每种电解槽的关键材料的制造和使用流程进行了详细的分析，它们在制造工艺上都有自己显著的特点。例如，AEL电解槽使用水溶液电解质，通常采用成本较低的材料镍。虽然具有成本效益，但通常体积较大，且在高压下的效率较低。PEM电解槽虽然可以在较低温度区间运行，并保持较高效率，但是使用的铂金属催化剂带来了可持续性和成本上的挑战。AEM电解槽目前正处于开发阶段，尚未实现商业运行。SOE电解槽的高温运行，对材料的稳定性提出了较高的要求，进而具有较高的制造成本。在制造过程中的材料的选择以及制造工艺，对环境有直接或间接的影响，该研究详细记录了从原材料获取到成品制造的每一步对环境的潜在影响。

电解槽运行阶段：研究评估了四种电解槽在使用可再生能源（以风电，光伏和水电为主）和电网电力时的环境表现，揭露了它们在不同电力来源下的排放和效率。SOE电解槽独特的高温运行模式所产生的高效率，使得它在使用可再生能源时表现最佳。为了实现低碳氢气的生产，电力来源和电解槽效率的影响占主导地位。

敏感性分析：研究探讨了多种运行场景和多个地区不同的电力结构对每种电解槽的生命周期排放的影响。重点分析了电解槽组件老化，效率随时间衰减对它们在运行寿命期间对环境影响作出的总贡献。分析还考虑了不同地区电力结构对电解槽性能的影响，包括中国、欧洲和美国，结果展示出明显的区域差异。研究为政策制定者和相关从业者提供了基于电解槽种类和区域能源结构，为实现可持续发展目标的数据支持。

通过深入了解每种电解槽技术的生命周期环境影响，该研究不仅增强了人们对这些技术潜在环境成本的认识，还强调了改进设计和运营实践以减少氢气生产对环境影响的重要性。虽然每种技术都有其优点和缺点，但未来的发展方向是电解槽效率的提升和催化剂在可持续性上的优化，它们对减少环境影响至关重要。研究提供了对电解槽技术从制造到运营的全面视角，强调了在电解槽技术选择和优化过程中，考虑环境和技术因素的重要性，提供了一种全面的框架，以支持技术选择和政策制定。这些见解对于推动氢能作为未来可持续能源系统的一个关键部分具有重要的战略意义。

图1：四种电解槽的制造流程。

图2：四种电解槽的对环境影响的贡献分析，(a) climate change impact. (b) human health. (c) ecosystem quality. (d) abiotic stock resources.

图3：不同的电力来源对四种电解槽运行的环境影响。

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.09.007