僅需400度，即可制取“凈零排放”綠色能源！

出品：科普中國

作者：陳勁濤（北京航空航天大學(xué)）陳琳 郝勇 劉明愷 王彬 郭軻（中國科學(xué)院工程熱物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

氫能因其零碳、綠色、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，在未來的能源結(jié)構(gòu)中必將扮演重要角色，對(duì)于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展、“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，都具有重大意義。

【用】北京冬奧會(huì)與氫能的不解之緣

氫能可以用在方方面面。

就以2022年北京冬奧會(huì)為例，這次冬奧會(huì)產(chǎn)生的碳排放全部實(shí)現(xiàn)中和，被稱為“最綠色”的冬奧會(huì)，而“最綠色”背后，是許多的“科技與狠活”，尤其是在氫能的利用上。

首先，與往屆奧運(yùn)會(huì)使用液化天然氣或丙烷等氣體作為火炬燃料有所不同，北京冬奧會(huì)火炬“飛揚(yáng)”是用氫點(diǎn)燃的，**采用的是世界首套高壓儲(chǔ)氫火炬，**先后解決了氫火焰可視性、復(fù)雜曲面適應(yīng)性、大比例減壓、氫安全利用、氫燃料儲(chǔ)存等諸多技術(shù)難題，首次實(shí)現(xiàn)了冬奧會(huì)歷史上火炬的零碳排放。

北京冬奧會(huì)點(diǎn)火儀式場(chǎng)景

（圖片來源：中央電視臺(tái)官網(wǎng)）

一朝盛會(huì)史無前，雙奧古城盡開顏。實(shí)際上，在北京舉行的兩屆奧運(yùn)會(huì)都與氫有著不解之“緣”，氫能對(duì)環(huán)保的貢獻(xiàn)也不僅僅是在火炬上。

2008年北京夏季奧運(yùn)會(huì)，我國首座車用加氫站在京建成，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池汽車“0到1”的突破。2022年冬奧會(huì)，**共計(jì)投入使用816輛氫燃料電池汽車，成為交通運(yùn)輸?shù)闹髁ぞ撸?*實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池汽車“1到100”的突破，大大降低了污染排放。

冬奧賽區(qū)內(nèi)運(yùn)行的氫能大巴

（圖片來源：中央電視臺(tái)官網(wǎng)）

經(jīng)過多年的深入研究，人們從最初的“談氫色變”到如今的寄予厚望，氫能已然在能源結(jié)構(gòu)變革的過程中占有了不可替代的一席之地。北京冬奧會(huì)更是為氫能提供了世界級(jí)的展示舞臺(tái)，讓氫能利用，不僅在空中、在地上，更扎根于普通大眾的心里。

【破】傳統(tǒng)制氫制取工藝：碳排放如影隨形

要想安全便捷地使用氫能，首先要解決的就是氫氣的制取問題。

氫是一種二次能源，無法直接從自然界中獲取，需要通過其他方式制備得到。從表1可以看出，傳統(tǒng)制氫方式主要有：通過化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水和其他方式產(chǎn)氫等。目前，最主要的兩種制氫方式是工業(yè)天然氣重整和煤氣化制氫。

表1 全球和中國氫氣生產(chǎn)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

（數(shù)據(jù)來源：參考文獻(xiàn)[1]）

工業(yè)天然氣重整制氫是全球目前使用最廣泛的制氫方法，占總產(chǎn)氫量的62%以上。天然氣重整的主要優(yōu)勢(shì)在于，天然氣是一種豐富的能源，也是含碳比例最低的主要能源，并且開采的成本很低，經(jīng)過長期發(fā)展已形成了完善和成熟的技術(shù)，很容易擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。

但這一方法對(duì)環(huán)境并不友好。天然氣重整涉及一系列將甲烷轉(zhuǎn)化為氫氣的化學(xué)反應(yīng)，這一過程會(huì)排放大量的二氧化碳，加劇氣候變化問題。

同時(shí)，該過程反應(yīng)溫度高(800-1000攝氏度)，工業(yè)上一般采用燃燒部分甲烷的方式供給反應(yīng)熱，這直接導(dǎo)致生產(chǎn)每千克氫氣所需的能耗高、二氧化碳排放高，而且導(dǎo)致每立方天然氣能夠生產(chǎn)的氫氣減少。每生產(chǎn)1千克氫氣要向大氣排放8-11千克二氧化碳。

制氫-儲(chǔ)氫-運(yùn)氫產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

（圖片來源：veer圖庫）

另一種主要的制氫方式就是煤氣化制氫。我國目前的能源利用結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主，而且煤炭資源相對(duì)充足，成本也比較低，因此煤氣化制氫在我國使用廣泛。

然而，煤氣化制氫過程復(fù)雜，而且與工業(yè)天然氣重整制氫相比，能耗更高、碳排放更高。煤氣化制氫技術(shù)每千克氫的二氧化碳排放為20-25千克。此外，煤氣化更容易產(chǎn)生二氧化硫和氮氧化物等其他污染物，容易引起空氣污染。所以，煤氣化制氫的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境綜合效益，不如天然氣重整制氫。

但不得不說，以上兩種傳統(tǒng)的制氫技術(shù)都伴有不同程度的溫室氣體排放。在“雙碳”背景下，直接采用傳統(tǒng)制氫技術(shù)開展氫能的大規(guī)模制備，將導(dǎo)致氫能與碳排放之間難以調(diào)和的矛盾，嚴(yán)重制約了氫能的高效生產(chǎn)和廣泛使用。

但是，如果能夠?qū)⒑寄茉聪驓淠苻D(zhuǎn)化過程中的二氧化碳全部捕集，并加以封存或轉(zhuǎn)化利用，就可以顯著降低甚至避免碳排放，使利用含碳能源制取的氫變?yōu)檎嬲摹翱沙掷m(xù)”“綠色”氫能。這一點(diǎn)我們能做到嗎？中國科學(xué)家的回答是：能。

氫能

（圖片來源：veer）

【立】“凈零排放”的天然氣制氫原理突破成功

中國科學(xué)院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實(shí)驗(yàn)室首次提出了多產(chǎn)物順序分離的新原理和順序分離驅(qū)動(dòng)的甲烷蒸汽重整新方法，實(shí)現(xiàn)了400攝氏度溫和條件下“凈零排放”的天然氣制氫原理突破。

采用這種新技術(shù)，每立方米天然氣理論上可以制取4立方米氫氣，實(shí)際測(cè)試結(jié)果為3.85立方米左右，比工業(yè)天然氣重整的單位產(chǎn)氫量（2.5立方米）高50%以上。燃燒的取消和產(chǎn)品分離能耗的降低，使得生產(chǎn)每千克氫所對(duì)應(yīng)的能耗下降20-40%。

目前，團(tuán)隊(duì)研制的原理樣機(jī)在400攝氏度和常壓的溫和條件下，實(shí)現(xiàn)了>99%的甲烷轉(zhuǎn)化率，>99%的氫氣和二氧化碳產(chǎn)率和選擇性，從而直接獲得高純度氫氣和二氧化碳，并完成了長達(dá)3周、6000次循環(huán)的可靠性驗(yàn)證，初步展示了該項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的廣闊前景。

與此同時(shí)，在這項(xiàng)新技術(shù)中，通過多產(chǎn)物有序分離，使天然氣中所有的碳元素都以高純二氧化碳的形式被直接捕集，避免了二氧化碳向大氣的直接排放。制取氫氣量高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“凈零排放”，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“魚與熊掌可以兼得”的暢想。

【理】依次分離+逐步匯集+高純捕集=凈零排放

那么，研究人員是如何實(shí)現(xiàn)這一制氫原理的突破的呢？

首先，通過依次分離目標(biāo)產(chǎn)物氫氣和二氧化碳，推動(dòng)天然氣被消耗，并通過反應(yīng)向著產(chǎn)生更多氫氣和二氧化碳的方向轉(zhuǎn)化。在這個(gè)過程中，天然氣的消耗比例隨著每個(gè)制氫、脫碳步驟的完成，呈階梯式上升，直至最終100%轉(zhuǎn)化。

其次，把中間各分離步驟產(chǎn)生的氫和二氧化碳匯集起來，可分別得到高純氫和高純二氧化碳產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)天然氣原料向氫和二氧化碳產(chǎn)品的最優(yōu)轉(zhuǎn)化效果。同時(shí)，順序分離兩種產(chǎn)物能夠產(chǎn)生最有利于分離的壓力條件，從而達(dá)到分離產(chǎn)物的能耗最小化。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

與傳統(tǒng)制氫技術(shù)不同，這種新原理的思路并不刻意追求天然氣向氫氣的一次性轉(zhuǎn)化效果，因此不需要很高的反應(yīng)溫度，但通過改為漸進(jìn)的制氫路線并優(yōu)化相應(yīng)流程，可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)制氫相同的天然氣100%轉(zhuǎn)化效果。

超過6000次循環(huán)的天然氣產(chǎn)量和H2/CO2比率的穩(wěn)定性

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

這項(xiàng)技術(shù)對(duì)減排最大的貢獻(xiàn)是，在實(shí)現(xiàn)高純二氧化碳的直接捕集、減少二氧化碳的排放的同時(shí)，還將二氧化碳從一種難處理的廢氣變成了具有多種潛在用途的資源。

例如，可注入油井提高原油采收率，也可直接注入地下封存；可作為化工原料，以及用于食品加工和保鮮、醫(yī)療用途、消防等。面向未來以可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)，二氧化碳的另一種重要的轉(zhuǎn)化途徑是通過綠電（如光伏等）將其轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品（如甲酸、甲醇等），并進(jìn)一步制造范圍廣泛的工業(yè)品。

這項(xiàng)新技術(shù)所具有的高純碳捕集、與可再生能源互補(bǔ)這兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，將有助于推動(dòng)可再生能源在能源、化工等領(lǐng)域的加速滲透。

【望】“凈零排放”，一展雄風(fēng)！

這種溫和條件下的“凈零排放”制氫技術(shù)，主要意義在于，在“雙碳目標(biāo)”和大力發(fā)展可再生能源的國家重大需求背景下，改變傳統(tǒng)的粗放用能和制氫模式，發(fā)展適合我國能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的可持續(xù)制氫技術(shù)。

有序分離氫氣和二氧化碳產(chǎn)物的新原理，使這項(xiàng)新技術(shù)在降低制氫溫度和能耗、制氫脫碳一體化、設(shè)備小型化等多方面實(shí)現(xiàn)了突破，提供了一個(gè)審視氫能技術(shù)全鏈條的新視角。

分布式清潔能源多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)示意圖（自制）

（圖片來源：作者自制）

該技術(shù)有望推動(dòng)制氫思路，從目前的集中式、大型化向分布式、小型化、面向?qū)ο笮枨蟮姆较蜣D(zhuǎn)變，從而對(duì)大規(guī)模發(fā)展低碳、可持續(xù)氫能技術(shù)具有重要意義。

首先，新技術(shù)能夠大幅降低基于含碳能源制氫所伴生的高二氧化碳排放，并降低了能耗、提高了能源利用效率，使基于含碳能源的氫能變?yōu)榭沙掷m(xù)。

其次，針對(duì)氫能技術(shù)全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)目前所遇到的挑戰(zhàn)，該技術(shù)以天然氣為載體，可以較好地解決氫能的“制”“儲(chǔ)”“運(yùn)”問題，從而顯著降低氫能的儲(chǔ)運(yùn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，加速氫能的發(fā)展應(yīng)用和普及。

再次，基于天然氣的分布式制氫思路，可以充分利用現(xiàn)有的燃?xì)夤芫W(wǎng)站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施，顯著降低投資成本。

最后，分布式制氫與太陽能、工業(yè)余熱等低碳能源的分布式特點(diǎn)不謀而合。通過兩者之間的結(jié)合，不僅可以進(jìn)一步提升氫能的可持續(xù)性，而且能夠借助含碳能源的優(yōu)勢(shì)地位，提升可再生能源的消納能力。

結(jié)語

降低碳排放是化石能源技術(shù)和可再生能源技術(shù)的共同目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要從能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)情況出發(fā)，從“節(jié)流”和“開源”兩方面同時(shí)入手，研發(fā)高效、低碳的化石能源利用技術(shù)和穩(wěn)定、低成本的可再生能源技術(shù)。

因此，我們?cè)谇鍧?、高效利用化石能源（煤、天然氣等）的基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步借助這種主體地位優(yōu)勢(shì)，加速太陽能等可再生能源的發(fā)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)化石能源技術(shù)的脫碳，在助力能源轉(zhuǎn)型的同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩者的共贏。

“雙碳”戰(zhàn)略絕不是靠某個(gè)領(lǐng)域或某個(gè)行業(yè)孤軍奮戰(zhàn)，而是需要社會(huì)各界共同行動(dòng)，并肩尋找綠色、可持續(xù)的發(fā)展方案，在這一過程中，科學(xué)家們承擔(dān)著打開新思路、尋找新突破的重任。前路漫漫亦燦燦，行則將至。

參考文獻(xiàn)：

1. 劉尚澤,于青,管健.氫能利用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].能源與節(jié)能,2022,No.206(11):18-21.DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2022.11.038.

2. Yunyi Ling, Hongsheng Wang, Mingkai Liu，et al.Sequential separation-driven solar methane reforming for H2derivation under mild conditions[J]. Energy Environ. Sci., 2022, 15, 1861. DOI: 10.1039/d1ee03870b.