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，在未來的能源結(jié)構(gòu)中必將扮演重要角色，對于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、產(chǎn)業(yè)低碳發(fā)展、“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)，都具有重大意義。

【用】北京冬奧會與氫能的不解之緣

氫能可以用在方方面面。

就以2022年北京冬奧會為例，這次冬奧會產(chǎn)生的碳排放全部實現(xiàn)中和，被稱為“最綠色”的冬奧會，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，與往屆奧運會使用液化天然氣或丙烷等氣體作為火炬燃料有所不同，北京冬奧會火炬“飛揚”是用氫點燃的，**采用的是世界首套高壓儲氫火炬，**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、氫燃料儲存等諸多技術(shù)難題，首次實現(xiàn)了冬奧會歷史上火炬的零碳排放。

北京冬奧會點火儀式場景

（圖片來源：中央電視臺官網(wǎng)）

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

2008年北京夏季奧運會，我國首座車用加氫站在京建成，實現(xiàn)了氫燃料電池汽車“0到1”的突破。2022年冬奧會，**共計投入使用816輛氫燃料電池汽車，成為交通運輸?shù)闹髁ぞ撸?*實現(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)運行的氫能大巴

（圖片來源：中央電視臺官網(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。北京冬奧會更是為氫能提供了世界級的展示舞臺，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)，很容易擴大生產(chǎn)規(guī)模。

但這一方法對環(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)，這一過程會排放大量的二氧化碳，加劇氣候變化問題。

同時，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-儲氫-運氫產(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驗室首次提出了多產(chǎn)物順序分離的新原理和順序分離驅(qū)動的甲烷蒸汽重整新方法，實現(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，實際測試結(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)每千克氫所對應(yīng)的能耗下降20-40%。

目前，團隊研制的原理樣機在400攝氏度和常壓的溫和條件下，實現(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)的可靠性驗證，初步展示了該項技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的廣闊前景。

與此同時，在這項新技術(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，同時實現(xiàn)“凈零排放”，這項技術(shù)實現(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。在這個過程中，天然氣的消耗比例隨著每個制氫、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，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。

實驗平臺示意圖

（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，但通過改為漸進的制氫路線并優(yōu)化相應(yīng)流程，可以實現(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]）

這項技術(shù)對減排最大的貢獻(xiàn)是，在實現(xiàn)高純二氧化碳的直接捕集、減少二氧化碳的排放的同時，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），并進一步制造范圍廣泛的工業(yè)品。

這項新技術(shù)所具有的高純碳捕集、與可再生能源互補這兩個顯著優(yōu)點，將有助于推動可再生能源在能源、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現(xiàn)了突破，提供了一個審視氫能技術(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，針對氫能技術(shù)全鏈條各個環(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”“運”問題，從而顯著降低氫能的儲運成本和安全風(fēng)險，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不謀而合。通過兩者之間的結(jié)合，不僅可以進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)。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要從能源結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實情況出發(fā)，從“節(jié)流”和“開源”兩方面同時入手，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，我們在清潔、高效利用化石能源（煤、天然氣等）的基礎(chǔ)上，要進一步借助這種主體地位優(yōu)勢，加速太陽能等可再生能源的發(fā)展，同時實現(xiàn)化石能源技術(shù)的脫碳，在助力能源轉(zhuǎn)型的同時實現(xiàn)兩者的共贏。

“雙碳”戰(zhàn)略絕不是靠某個領(lǐng)域或某個行業(yè)孤軍奮戰(zhàn)，而是需要社會各界共同行動，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.