中国人口·资源与环境2021年第31卷第12期CHINA POPULATION,RESOURCES AND ENVIRONMENT VoL3Io.1222I1织张贤，许毛，徐冬，等.中国煤制氢CCUS技术改造的碳足迹评估[J].中国人口·资源与环境，2021,31(12)：1-11.[ZHANG Xian,XUMao.XU Dong.et al.Carbon footprint assessment of coal-to-hydrogen technology combined with CCUS in China [J].China population.resources and environment.2021.31(12):1-11.]中国煤制氢CCUS技术改造的碳足迹评估毛2，徐冬3，仲平1，彭雪婷1，樊静丽2(1.中国21世纪议程管理中心，北京100038：2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院可持续发展与能源政策研究中心，北京100083：3.国家能源集团新能源技术研究院有限公司，北京102209)摘要氢能作为一种清洁、高热值、来源广的新型能源，已被广泛认为是全球能源系统低碳化转型的重要能量载体。目前其他制氢工艺在技术和成本方面仍受制约，煤制氢将是中国未来较长一段时间内的主要氢源，而碳捕集利用与封存(CCUS)技术是实现低碳煤制氢的关键技术选择。考虑到CCUS技术的额外能耗和碳捕集的不完全性等特点，煤制氢CCUS技术全流程仍将产生不同程度的碳排放，但相关评估较少。文章从全流程分析的角度评估和比较煤制氢CCUS技术改造的碳足迹，研究结果表明：①煤制氢全流程碳足迹为17.47-29.78kgC0gH2,CCUS技术改造后，碳足迹可降至2.17~8.91kgC0,gH:②从全流程角度看，CCUS技术对煤制氢的减排贡献约为80.6%：③煤制氢能源转化效率及CCUS技术额外能耗是影响煤制氢碳足迹的关键因素。未来应加强煤制氢CCUS技术改造的研发和推广，以降低CCUS能耗并进一步提高煤制氢的能源效率。研究结论为中国低碳化氢能发展提供决策参考，对碳中和目标下的能源转型具有一定的指导意义。关键词煤制氢：碳足迹：碳捕集利用与封存：全流程评价中图分类号C939文献标志码A文章编号1002-21042021)12-0001-11D0I:10.12062cpre.20211132在过去的十年(2009一2019年)中，尽管社会各界应然气制氢、生物质制氢、光伏风力发电制氢（电解水）及核对气候变化的意识和行动有所增强，但全球温室气体排能/热化学制氢等其他主要制氢技术。为兼顾氢能供应和放量的年均增速仍高达1.5%。为以最低成本实现全球碳中和目标的实现，中国需发展低碳煤制氢技术，目前碳1.5℃温控目标，全球温室气体排放量在2020一2030年捕集利用与封存(CCUS)技术是实现低碳煤制氢的重要间每年应至少降低7.6%四。中国实现2060年碳中和目手段。CCUS技术指将CO,从工业排放源中分离后或标需要加快建设绿色多元能源供应体系，其中，氢气作为直接加以利用或封存，以实现C0,减排的工业过程。一种清洁、高效的燃料或能源载体，成为助力交通、工业、煤制氢CCUS技术改造的主要工艺流程包括：①煤炭经过建筑等部门深度脱碳的重要选择，因而被认为是解决能气化生成合成气：②合成气经过耐硫水汽变换后得到富源安全和应对气候变化问题的重要方案2，在全球范围氢和富碳气体：③进一步通过脱硫脱碳工艺得到纯度较内受到广泛关注。氢能的来源具有多样性，其中可再生高的氢气和C02:④通过捕集设备所得的高浓度C0,用于能源电解水制氢被认为是较为理想的制氢方式，从长期利用或封存。目前，国内外已经有数个运行的化石能源来看其将是氢能的主要来源5。但受技术成熟度、制氢制氢CCUS项目，合计捕集规模约为百万吨级。然而，成本等诸多因素的影响，目前化石能源制氢仍是全球主CCUS技术会引起额外能耗，并由此增加C0,排放，其净减流的制氢方式，约占全球氢能来源的95%以上[刃。中国排效果无法根据C0,捕集率直接衡量。因此，定量化评估是氢气生产和消费大国，同时也是煤炭生产和消费大国，CCUS技术在降低煤制氢碳足迹方面的作用具有十分重在氢能发展的初期和中期阶段仍需依赖煤制氢技术满足要的现实意义。氢气需求[。现阶段，相较于其他制氢技术，煤制氢技术1文献综述具有明显的成本优势，但其缺点在于会产生大量C0,排放1。已有研究01表明，煤制氢技术的碳足迹远高于天煤炭可通过焦化或气化制取氢气，前者的主要目标收稿日期：2021-02-13修回日期：2021-06-08作者简介：张贤，博士，研究员，主要研究方向为能源经济，低碳技术投资评价。E-mail:zhangxian_ama@163.com。通信作者：樊静丽，博士，教授，博导，主要研究方向为能源与气候经济、能源系统建模。E-mail:fan@cumt山.edu.cn。基金项目：国家自然科学基金面上项目“多重博弈视角下碳捕集、利用与封存(CCUS)项目投资决策建模与政策研究”（批准号：71874193）。(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net中国人口·资源与环境2021年第12期产物是焦炭，氢气为副产物，后者的主要目标产物是氢气。界的界定及相关参数的取值有所不同，故其评估结果存在综合考虑技术经济性和规模性，气化煤制氢技术在中国的一定差异。例如，EA评估煤制氢碳足迹时仅考虑了制应用前景较好山。尽管煤制氢技术能够提供大量的低氢环节的碳足迹，未考虑煤炭开采、洗选及运输等上游技成本氢气)，但同时也会造成显著的环境影响（如产生术环节的碳足迹。此外，部分研究≤虽考虑了煤制氢上工业废渣、废水、废气及温室气体)2。在碳中和目标的游技术环节并在制氢过程中引人了C0,捕集技术，但未考约束下，低碳煤制氢路径的相关碳足迹研究至关重要。虑后续C0,运输及封存过程的相关能耗及碳足迹，而CO,现阶段关于碳足迹的研究理论主要有两种。第一种封存是CCUS技术实现CO,减排不可或缺的技术环节。是生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)理论，该理CCUS技术仅能作用于煤制氢环节，而从煤制氢的全流程论以生命周期的过程分析为基础，采用“自下而上”模型，工艺来看，煤炭开采、洗选加工及运输等环节均会产生C02主要用于调查和评价一种特定商品或服务所产生的或由排放，CCUS技术的应用也会引起额外的能耗及相应的碳于其存在的必需性所引起的环境影响。基于过程分析的排放。因此，煤制氢CCUS技术改造的碳足迹需要从全流生命周期评估需要根据生命周期清单分析研究对象在不程的角度进行核算，以科学、合理地评估CCS技术在煤制同生命阶段的碳排放来源，通过收集生命周期清单需要氢过程中的减排贡献。此外，中国矿区众多，不同矿区生的参数来计算碳足迹。第二种是投入产出(Input Output,产的煤炭在平均低位热值、含碳量等方面存在差异，现有O)分析理论，该理论以环境投人产出分析为基础，采用研究未充分考虑上述因素对于煤制氢碳足迹的影响。“自上而下”模型22)，主要用于计算隐含碳排放。投入为弥补相关研究的不足，文章拟在生命周期评估理产出分析法是一种经济学分析方法，该方法通过编制投论的基础上构建“自下而上”的全流程碳足迹评估模型，入产出表以获取所需信息，可以用来建立全面和稳健的并采用政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出的碳排放碳足迹核算体系，考虑所有更高阶的影响，并将整个经济核算方法，系统评估在中国开展煤制氢CCUS技术改造的系统设置为边界。基于过程分析的生命周期评估法与基全流程碳足迹，揭示煤制氢CCUS技术改造碳足迹的内部于部门经济信息的投人产出分析法的主要区别在于，前构成，从根源上寻找降低煤制氢过程中碳足迹的途径，以者适合于微观尺度上的计算，能够获得单一产品或过程期为中国煤制氢CCUS技术改造的发展提供相关参考及的碳足迹2a-],而后者则比较适合于宏观尺度上的计算。政策建议。煤制氢CCUS技术是以生产低碳氢气产品为主要目的，其2煤制氢碳足迹评估方法工艺过程涉及煤炭的开采、洗选、运输、制氢及碳捕集与封存等众多技术环节，且各技术环节联系紧密。因此，基2.1研究边界文章所探讨的煤制氢CCUS技术改造主要涵盖煤炭于过程分析的生命周期评估方法更加适合用于评估其碳足迹。开采及洗选、煤炭运输、煤制氢气、C0,捕集、C0,运输、C02封存①等技术环节。中国能源平衡表中煤炭开采及洗选目前已有部分国内外学者采用生命周期评估方法量的能耗被合并统计，故文章将煤炭开采、洗选两个技术环化煤制氢的碳足迹。L等例利用生命周期评价方法评估节合并。需要说明的是，上述过程中产生的非C0,温室气了基于煤气化制氢技术的氢气生产碳足迹，评估结果约为体以及由煤炭自燃所引起的碳排放均未予考虑。综上，煤制氢CCUS技术改造的碳足迹核算边界如图1所示。法对比了不同煤气化制氢工艺的碳足迹，结果表明，当引人C0,捕集技术后，煤制氢的碳足迹可显著降低。L等[四]的评估结果也验证了这一观点，采用CCUS技术后煤制氢及洗选煤炭运输某制氢气的全生命周期碳足迹降低了81.T2%。国际能源署(EA)评估结果表明，煤制氢技术的碳足迹约为20kgC0kgH2,是天然气制氢技术碳足迹的2倍左右；结合CCUS技术的C0,封存C0,运输C0,捕集煤制氢过程碳排放显著降低，碳足迹仅为2kgC0,kgH2,约为天然气制氢碳足迹的五分之一。图1煤制氢CCUS技术改造全流程能源相关上述已有研究对于煤制氢全生命周期碳足迹核算边碳足迹评价系统边界①文章虽采用“CCUS技术"这一概念，但不考虑CO,利用环节及其产生的相关碳足迹，其原因在于C0,利用方式多样，包括地质利用、化工利用及生物利用等.其碳足迹核算边界难以界定。2(C)1994-2022 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net