文|創(chuàng)瞰巴黎 Cécile Michaut
編輯|Meister Xia
一覽：
- 黑氫、棕氫和灰氫來(lái)源于化石燃料，藍(lán)氫則在此基礎(chǔ)上結(jié)合了碳捕獲與封存技術(shù)，能夠有效降低碳排放量。
- 綠氫來(lái)源于水電解制氫技術(shù)，但它需要消耗大量的電力和可再生能源。
- 藍(lán)綠氫的生成需要電力和甲烷的共同作用，但其耗電量要比電解技術(shù)低4-7.5倍，因此前景可觀。
- 由于沼氣本身含有大量的二氧化碳，若從沼氣中提取甲烷，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。
氫能是一種清潔燃料，其制取過(guò)程卻充斥著大量的碳排放。水電解制氫等碳排放較低的工藝雖然存在，但價(jià)格高昂，因此應(yīng)用范圍有限。好消息是，甲烷熱解等高效、清潔的新興技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)。根據(jù)制取方式和過(guò)程中碳排放量的差異，氫氣可分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫和藍(lán)綠氫。
氫能是一種理想的能源嗎？
氫能本身十分清潔，無(wú)論是燃燒發(fā)電還是化學(xué)反應(yīng)發(fā)電（燃料電池），它的產(chǎn)物都只有水和能量。由于氫在地球上主要以化合物形式存在，要想得到氫氣單質(zhì)，只能通過(guò)某種方式裂解。不幸的是，制氫需要大量的能量，過(guò)程中會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的污染。當(dāng)前，約有95%的氫氣由化石燃料制成。生產(chǎn)一噸氫氣會(huì)產(chǎn)生十噸二氧化碳。高度污染的制氫過(guò)程使其飽受詬病，因此，人們亟需找到一種清潔的制氫方法。
水電解制氫技術(shù)占全球氫氣產(chǎn)量的5%，由于生產(chǎn)過(guò)程更加清潔，其產(chǎn)物被稱為“綠氫”。水電解只會(huì)生成氧氣和氫氣，該過(guò)程雖然清潔低碳，但耗電量巨大，因此能源消耗難以避免。如果電解器以最大效率運(yùn)行，生產(chǎn)每公斤氫氣至少需要40度電。然而，電解器當(dāng)前只能達(dá)到60%的效率，這意味著生產(chǎn)一公斤氫氣需要60度電。
如果電解過(guò)程由可再生能源、核能，或是上述能源組合發(fā)電，則會(huì)大幅降低二氧化碳排放量，這一過(guò)程生成的氫氣被稱為“粉氫”或“黃氫”。他們都屬于綠氫。
與水電解相比，蒸汽甲烷重整（使用化石燃料）更為普遍。畢竟，根據(jù)法國(guó)當(dāng)前的電價(jià)， 一公斤綠氫的成本為4-6歐元。相比之下，蒸汽重整技術(shù)的成本還不到1歐元。考慮到市場(chǎng)現(xiàn)狀，大規(guī)模部署綠氫的可行性很低。
圖片來(lái)源：PI France
注：表中列出了氫氣的不同來(lái)源和應(yīng)用技術(shù)，以及生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化碳排放量。
制氫技術(shù)怎樣才能變得更加清潔？
將蒸汽甲烷重整和碳捕獲與封存技術(shù)相結(jié)合，可以有效降低二氧化碳排放量（參見(jiàn)文章：二氧化碳的捕獲與封存），生成“藍(lán)氫”。在這種情境下，氫氣的生產(chǎn)成本會(huì)增加一至兩倍，達(dá)2-3歐元/公斤。蒸汽甲烷重整生成的氫氣被稱為灰氫，燃燒煤炭產(chǎn)生的氫氣則被稱為黑氫。
不過(guò)，還有一種方法更加奏效。近日，更為清潔的“藍(lán)綠氫”成了政界和業(yè)界的關(guān)注焦點(diǎn)，但它遠(yuǎn)非什么新奇事物。事實(shí)上，我自1995年以來(lái)就一直在研究藍(lán)綠氫，可以說(shuō)，它與我的職業(yè)生涯息息相關(guān)。藍(lán)綠氫的生成需要電力和甲烷的共同作用，甲烷在極高的溫度（1000℃-2000℃）下熱解后，生成氫和固態(tài)碳。整個(gè)過(guò)程雖然需要使用電力，但用電量要遠(yuǎn)低于電解技術(shù)（用電量要少4-7.5倍），且無(wú)二氧化碳排放。一公斤甲烷可以生成250克氫氣和750克固態(tài)碳，帶來(lái)額外的價(jià)值催生。更重要的是，甲烷熱解在生成單位數(shù)量的氫氣時(shí)，所需的電力要比水電解少7倍（但它所制的氫氣要比水電解少兩倍）。
甲烷熱解工藝是否已得到了規(guī)?；瘧?yīng)用？
甲烷熱解工藝正在美國(guó)進(jìn)行規(guī)?；_(kāi)發(fā)，由我們?cè)诿绹?guó)的工業(yè)伙伴——Monolith Materials公司負(fù)責(zé)。2012-2017年，他們?cè)诩又萃瓿闪嗽圏c(diǎn)項(xiàng)目，現(xiàn)已開(kāi)始推進(jìn)工業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)前，第一套裝置已經(jīng)建成，其余11套也將很快跟進(jìn)。鑒于規(guī)模擴(kuò)大的技術(shù)阻礙已不復(fù)存在，幾個(gè)月后，我們將有望見(jiàn)證甲烷熱解工藝正式走向規(guī)?；瘧?yīng)用。該裝置可以熱解2萬(wàn)噸天然氣，生成1.5萬(wàn)噸炭黑和5000噸氫氣。
當(dāng)前，這一工藝的經(jīng)濟(jì)效益主要由炭黑貢獻(xiàn)。熱解過(guò)程產(chǎn)生的炭黑可被用于輪胎制造，售價(jià)約為1歐元/公斤。炭黑占輪胎材料的30%左右，有助于輪胎抵御磨損、紫外線輻射和高溫。未來(lái)，氫氣將貢獻(xiàn)越來(lái)越多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。現(xiàn)有技術(shù)主要以炭黑為首要考量（根據(jù)所需的炭黑等級(jí)來(lái)設(shè)定溫度），今后，技術(shù)優(yōu)化將主要基于氫氣生產(chǎn)需要，炭黑的新應(yīng)用也會(huì)層出不窮。例如，炭黑可被用作建筑材料、道路施工材料，甚至用于化肥染色。這比儲(chǔ)存二氧化碳成本更低，也更安全。
更好的一種做法，是從沼氣中提取甲烷（通過(guò)在沼氣廠或垃圾填埋場(chǎng)分解有機(jī)材料）?？紤]到沼氣本身含有大量的二氧化碳，且二氧化碳會(huì)在氫氣的作用下還原成甲烷，這一過(guò)程實(shí)際會(huì)減少大氣中的二氧化碳含量，實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。
還有其他方法可以制成藍(lán)綠氫嗎？
有，但其他技術(shù)還僅存于實(shí)驗(yàn)室或演示階段。比如，現(xiàn)有一種名為“液態(tài)金屬浴”的方法，主要原理是將甲烷注入含有熔融金屬的圓柱體容器中進(jìn)行分解。美國(guó)加利福尼亞州和澳大利亞均有相關(guān)試點(diǎn)項(xiàng)目。德國(guó)工業(yè)巨頭巴斯夫也在研究如何使用催化劑來(lái)分解甲烷。這些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手十分強(qiáng)大，但他們均有一些技術(shù)挑戰(zhàn)亟待克服。
由Cécile Michaut采訪