综述：推进可持续氢能发展：全球能源转型中的技术、环境与政策视角

时间：2026年1月19日

来源：Sustainable Chemistry for the Environment

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氢能作为硬脱碳载体在碳中和中的综合评估与政策整合路径研究。摘要：本文系统分析250+篇文献及2015-2025政策框架，评估热化学（SMR/气化）、电化学及生物制氢路径的碳强度（CI）、循环经济（CE）指标及与联合国SDG7/9/13的契合度。研究发现：绿氢需通过膜材料与催化剂创新降低稀土依赖；蓝氢因甲烷泄漏（>5%）和碳捕集效率（<90%）难以持续；现行政策缺乏统一生命周期评估（LCA）标准，导致国际贸易与绿色金融障碍。提出政策-技术协同框架，强调循环氢经济需整合材料回收与全球认证标准。

乌特卡什·夏尔马（Utkarsh Sharma）| 安妮塔·辛格·基罗拉利亚（Anita Singh Kirrolia）| 纳尔西·R·比什诺伊（Narsi R. Bishnoi）

印度哈里亚纳邦希萨尔（Hisar）古鲁詹贝什瓦尔科学技术大学（Guru Jambheshwar University of Science and Technology）环境科学与工程系，邮编125001

摘要

为了实现1.5°C的气候目标，全球能源转型需要一种多功能的载体来减少“难以减排”行业的碳排放（如钢铁、水泥和重型运输）。虽然氢气是一个主要候选者，但现有文献往往孤立地考虑技术、环境和政策因素，导致对其真正可持续性的理解片面。本综述系统分析了250多篇同行评审的文献和国际政策框架（2015-2025年），综合了从热化学（SMR、气化）到电化学和生物方法的各种生产途径。评估通过多维度视角进行，重点关注碳强度（CI）、循环经济（CE）指标以及与联合国可持续发展目标（SDGs 7、9和13）的契合度。我们的研究结果表明，虽然绿色氢气的运营排放接近于零，但其生命周期的可持续性取决于膜材料和催化剂方面的“绿色化学”创新，以减少对稀土矿物的依赖。比较分析显示，“蓝色”氢气仅起到过渡作用，因为其长期可行性受到甲烷泄漏和碳捕获效率（<90%）的限制。此外，我们发现了一个关键的“政策-技术”差距：当前的全球框架缺乏标准化的生命周期评估（LCA）协议，这阻碍了国际贸易和可持续融资。本综述提出了一个新颖的综合性框架，以弥合实验室规模创新与宏观政策之间的差距。我们得出结论，实现净零未来不仅需要“清洁”生产，还需要一个优先考虑材料回收和统一全球认证标准的循环氢经济。

引言

全球人口的增长和人类活动的加剧导致能源消耗急剧增加。尽管替代燃料有所进步，但化石燃料（主要是煤炭、原油和天然气）仍占世界能源供应的81%和电力生产的66% [1]，[2]。这种依赖性与产生不安全副产品密切相关，这些副产品加剧了环境退化和气候变化 [3]。化石燃料燃烧约占人为二氧化碳排放量的87%，2021年这一数字达到了创纪录的360亿吨 [4]，[5]。对于许多社会而言，化石燃料长期以来一直是主要的能源来源；然而，它们的开采和使用引发了诸多伦理、法律和财务问题，这使得它们在资源日益紧张的世界中的长期可行性受到质疑 [3]。虽然向太阳能和风能等可再生能源的转型正在进行中，但这些技术面临着整合挑战和地区差异 [6]。为了弥合这一差距，氢气成为了一种有前景的能源载体。然而，最近的学术讨论强调，仅靠技术创新无法实现氢气的潜力；还需要严格的环境效率和可持续性指标框架。随着循环经济（CE）与能源转型之间的相互作用日益明显，氢气的生产不仅需要评估其碳减排效果，还需要评估其与循环经济原则和资源效率的契合度 [7]。这涉及到从线性的“生产-消费”模式向系统方法的转变，在这种模式下，氢气成为资源回收和工业共生的催化剂。

《2030年可持续发展议程》包含了十七项可持续发展目标（SDGs），为这一转型提供了路线图 [8]。氢气直接支持多项SDGs：它有助于实现SDG 7（负担得起和清洁的能源）和SDG 9（工业、创新和基础设施）[9]。然而，这一转型不仅仅是一种技术替代，而是一种社会技术的演变。实现公平的转型需要解决能源正义问题，确保政策干预和倡导保护弱势群体，同时打破碳密集型的现状 [10]。此外，氢气系统的成功在很大程度上取决于机构质量和可再生能源部署之间的联系 [11]。高质量、透明和稳定的监管框架对于管理能源系统的复杂性至关重要。利用主题建模等先进技术揭示文献中的潜在趋势表明，能源转型越来越受到这些机构质量的影响 [7]，[11]。理解社会技术转型还需要分析社会和政策网络的作用；随着创新生态位的发展，这些网络内的变化决定了新技术（如氢气）从实验室走向大规模应用的步伐 [12]。

一个关键挑战在于可持续性治理与企业政策战略之间的协调。为了使氢气有效促进全球脱碳，私营部门的创新与公共部门的监管目标必须协同发展 [13]。如果没有这种协调，氢气基础设施的部署将面临“系统性惯性”和缺乏标准化的环境绩效评估。尽管有相关文献，但仍存在显著的知识空白。大多数研究孤立地考察了政策、环境影响和生产技术。缺乏全面分析，例如：使用特定环境效率指标来评估不同类型氢气（灰色、蓝色、棕色、绿色）之间的权衡 [7]；机构和监管质量对氢气规模化和跨境贸易的影响 [11]，[13]；创新网络和社会动态在克服氢气储存和分配的技术和社会障碍中的作用 [12]；以及全球政策框架与安全、易燃性和高压处理要求等技术挑战之间的同步。本综述采用了一种全面的五维方法来填补这些空白。我们根据能源效率和碳强度评估生产途径，指出氢气的环境破坏比率显著低于煤炭（1.0 vs 22.62）[14]。通过将技术数据与近期文献提出的社会政治和循环经济框架相结合，本研究为迈向可持续和清洁能源未来的决策提供了战略指导。

部分摘录

采用的材料方法

为了确保对氢能领域的评估严谨、透明且可重复，本研究采用了系统综述方法。该方法结合了结构化的文献搜索和多维度分析框架，以评估技术、环境和政策驱动的变量。

氢燃料的特性

氢气的物理和分子特性与传统化石燃料有很大不同。表2列出了氢气、甲烷、汽油和柴油的比较特性。从表2可以看出，氢气的能量密度最低，但能量含量最高，这使得储存成为一个关键挑战。其广泛的易燃范围和低点火能量提高了性能，但需要严格的安全措施。汽油和柴油则具有更高的体积能量

氢气的需求

国际氢能市场持续增长，显示出强劲的发展势头和广阔的前景。国际能源署（IEA）预测，到2024年氢气需求将达到近1亿吨（Mt），比2023年的97 Mt有显著增长。尽管这种增长对整个能源行业来说是个好消息，但需要注意的是，这种增长主要局限于传统工业用途。

氢气生产技术

分子氢（H₂）可以从多种来源获得，包括生物质、水和化石燃料 [44]。为了从这些来源生产氢气，能源必须充足且持续可用 [45]。因此，像太阳能、风能和潮汐能这样的可再生能源可以用于氢气生产技术，从而实现可持续生产 [46]。从这一点来看，

氢气的价值链

一些专家现在认为，氢气是实现完全脱碳全球经济的关键要素。在促进可持续氢能技术的旗舰政策框架中，欧盟委员会强调了扩大清洁氢气生产的规模，认识到氢气作为一种能源载体的广泛应用性，尤其是在工业、交通和建筑环境等领域。这一倡议的核心是欧盟实现其气候目标的承诺

道路交通

在汽车行业，氢气需要通过内燃机或电化学过程（如燃料电池电动汽车（FCEVs）转化为机械能 [212]。虽然使用纯氢气进行燃烧存在储存、运输和实际应用方面的挑战，但有人建议将其与化石燃料混合以促进发动机点火，尤其是在柴油车型中 [213]。另一方面，FCEVs

使用氢气作为能源的好处

使用氢气作为能源有多种好处。以下是一些主要好处：

高昂的生产成本

目前，大部分氢气是通过蒸汽甲烷重整（SMR）从天然气中产生的，这种方法需要大量能源并产生二氧化碳作为副产品。另一种方法是电解，利用电能将水分解为氢气和氧气。所得到的氢气随后被收集并用作燃料。然而，由于生产成本较高，电解在经济上不如SMR可行。

氢气生产技术的突破

由于对氢气的兴趣激增，该领域的技术创新速度加快，新技术的快速宣布以及规模化和示范项目就是证明。21世纪初的一些预测和评估已经过时。表6中提到了所采用的方法及其优缺点。

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耶鲁大学进行的一项研究的主要成果是

结论

在全球脱碳的进程中，氢气已从一种小众的工业气体转变为全球能源转型的基石。本综述表明，虽然氢能经济的技术基础正在成熟，但其成功从根本上取决于技术创新与稳健的可持续金融和循环经济框架的整合。为了使氢气成功融入全球能源系统，政策干预必须

资金信息

无资金信息需要声明。

CRediT作者贡献声明

乌特卡什·夏尔马（Sharma Utkarsh Singh）：撰写——初稿、软件开发、资源收集、概念构思。安妮塔·辛格·基罗拉利亚（Anita Singh Kirrolia）：撰写——审稿与编辑、监督、正式分析、概念构思。纳尔西·R·比什诺伊（Narsi R. Bishnoi）：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。