综述：甲烷热解制备可持续氢气生命周期评价的最新进展

研究人员针对甲烷热解作为一种可持续制氢路径，指出其可产出有价值的固体碳副产物。本综述批判性审视了甲烷热解技术生命周期评价(LCA)的最新进展，聚焦于方法论框架、敏感性驱动因素及建模基础设施。尽管相关研究日益增多，当前LCA研究仍受限于系统边界定义、功能单位选择、共生产品分配策略及生命周期影响评价方法的不一致性。这些差异削弱了跨研究可比性，限制了环境评估的可靠性。研究人员通过分析近期研究，评估了从数据收集、软件平台到影响方法等不同LCA路径如何塑造报告的温室气体排放及更广泛的环境结果。关键发现强调，需要统一的LCA协议、透明的报告实践及标准化的影响指标，以支持稳健的环境基准测试。应特别关注固体碳共生产物的处理方式，其估值与管理可显著改变排放水平及经济可行性。综述最后建议，应通过方法论标准化及纳入区域政策因素，提升LCA研究的可靠性，并指导甲烷热解作为可规模化低碳制氢技术的发展与部署。

本综述围绕甲烷热解制备可持续氢气的生命周期评价（LCA）研究展开系统性梳理，全文主体分为四个主要部分。

第一部分为引言，首先介绍当前主流制氢方法，包括蒸汽甲烷重整（SMR）、煤气化、水电解及甲烷热解。SMR凭借成本优势占据全球约48%市场份额，但无碳捕集与封存（CCS）时排放达9–12 kg CO₂-eq/kg H₂，配套CCS可降至2–4 kg CO₂-eq/kg H₂；煤气化贡献约22%，无CCS排放约19 kg CO₂-eq/kg H₂，有CCS约8 kg CO₂-eq/kg H₂；水电解占比约4%，电网供电时排放约4.8 kg CO₂-eq/kg H₂，可再生能源供电则接近零排放。甲烷热解反应式为CH₄→ C + 2H₂，理论无CO₂排放，实际排放受能源供应、甲烷泄漏及系统边界影响，能耗约8–10 MJ/kg H₂，低于SMR与水电解，并可联产导电炭黑、石墨及碳纳米管等高价值固体碳材料，但其技术成熟度尚待提升。随后，引言明确了本综述的研究范围，旨在解决现有LCA研究在系统边界、共生产品分配及影响评价方法上的不一致问题，重点分析固体碳副产物的环境影响。

第二部分详细阐述甲烷热解的LCA框架。2.1节介绍LCA基础概念，依据ISO 14040与ISO 14044标准，将产品生命周期划分为原料获取、加工制造、分销使用及报废处置四个阶段，并指出生命周期评价（LCA）与产品碳足迹（CFP）的区别：CFP仅量化气候变化影响，而LCA涵盖酸化、富营养化、资源消耗等多类环境影响。2.2节探讨LCA目标与范围定义，包括功能单位与声明单位的选取（如1 kg H₂、1 MJ H₂或1 Nm³H₂）、系统边界设定（摇篮到大门或摇篮到坟墓）、截断准则（通常排除贡献低于1%–5%的微小流程）及评价方法与指标选择。研究指出，ReCiPe 2016因兼顾中点与终点指标，在全面性与稳健性上优于IPCC GWP、CML-IA基线及TRACI 2.1等方法。2.3节聚焦生命周期清单（LCI）数据收集与分配，指出现有研究在数据来源（企业未公开数据与二手数据库并存）、边界覆盖及碳排放建模上存在显著差异，导致结果难以比较；针对甲烷热解联产氢气与固体碳的特点，ISO 14044与ISO 14067推荐优先采用系统扩展法避免分配，若必须分配则按物理关系（质量或能量）或经济价值进行，当前主流为质量分配法，但经济分配法因市场价格波动应用受限。2.4节分析生命周期影响评价（LCIA）实践，发现不同研究选用的模型（如ReCiPe 2016、CML 2001、IPCC AR6）及区域特征（如电网结构、甲烷泄漏率）可导致温室气体强度结果相差十倍，例如可再生电力驱动的等离子体热解可达低于1 kg CO₂-eq/kg H₂，而化石燃料电网供电则显著削弱减排效益。2.5节讨论LCA结果解读，强调需结合完整性检验、一致性分析及敏感性测试，当前多数研究缺乏系统的不确定性量化与情景对比，限制了决策参考价值。

第三部分分析敏感性因素与建模工具。3.1节识别关键敏感性参数，包括反应器热效率、甲烷转化率、热源类型（可再生电力或化石能源）、固体碳副产物市场用途（填埋、替代商用炭黑或高值化利用）及区域碳价政策，单一参数±10%波动即可显著影响GWP结果。3.2节对比主流LCA软件与数据库，软件方面SimaPro、GaBi及openLCA应用最广，分别具备商业数据库集成度高、工业流程建模强及开源可定制优势；数据库方面Ecoinvent覆盖最全面，但欧洲中心假设需结合区域数据进行校正，中国生命周期数据库（CLCD）、日本环境分析清单数据库（IDEA）等本地化数据库则更适合特定区域的政策合规评估。

第四部分提出挑战与未来方向。4.1节指出系统边界、功能单位与共生产品分配的变异性是当前核心障碍，12项代表性研究在边界范围（是否包含压缩、运输、碳处理）、单位基准及碳分配方式上均存在分歧。4.2节揭示清单数据与LCIA方法的缺口，主流数据库缺乏高温热解专用单元，常以天然气重整模块替代，且影响评价方法从单一GWP到多指标混合应用，导致热点识别不一致。4.3节建议通过开发专用工艺模块、明确分配逻辑、整合实验与模拟数据、标准化核心影响指标集（GWP、化石消耗、酸化、人体毒性）及强化不确定性分析，提升模型稳健性。4.4节强调需从确定性结果转向情景分析、敏感性测试及蒙特卡洛模拟等概率方法，以量化参数与方法选择带来的不确定性。4.5节倡导将LCA与技术经济分析（TEA）耦合，同步评估环境效益与平准化制氢成本（LCOH）、电价、碳价及碳副产物收益的关联性。4.6节专门论述固体碳副产物增值化的影响，指出其市场价值、应用路径（如电池材料、橡胶填料）及碳信用机制可从根本上重塑甲烷热解的净排放表现与环境竞争力。

最后，综述总结当前甲烷热解LCA研究亟需统一的方法学协议与透明的数据报告规范，以支持政策制定与产业投资决策，推动该技术在可持续能源体系中的规模化部署。