文|創(chuàng)瞰巴黎 Ana?s Marechal

編輯|Meister Xia

一覽：

• 藍綠氫以甲烷為原材料。甲烷輸送至無氧反應器加熱到2000攝氏度的高溫，發(fā)生裂解，變成氫氣和炭黑，全程不產生二氧化碳。
• 相比之下，占全球氫產量95%的灰氫，其生產過程碳排放量為9.89 kg CO2e/kg，比藍綠氫高了將近十倍！
• 藍綠氫的碳排放與綠氫（0.03-0.37 kg CO2e/kg）相當，但生產的耗電量比綠氫低三倍，未來隨著工藝的進步，甚至能實現(xiàn)低七倍。
• 若完全以廚余垃圾產生的生物沼氣作為藍綠氫原料，碳足跡可以降至-5.22 kg CO2e/kg！若采用生物沼氣+石油甲烷作為原料，只要生物沼氣占比達到十分之一，生產過程就能實現(xiàn)零排放。

綠氫、灰氫、藍氫、粉氫…氫氣的顏色越來越多，每種顏色代表著一種不同的制備方式。如今，一種新顏色即將加入它們的行列——藍綠氫。藍綠氫產業(yè)在美國較為發(fā)達，其工藝以甲烷為原材料（類似蒸汽甲烷重整制灰氫），但區(qū)別在于甲烷是被輸送到無氧反應器里，加熱到1000-2000攝氏度的高溫，發(fā)生裂解，變成氫氣和炭黑。這一反應的優(yōu)點是不產生具有溫室效應的二氧化碳，雖然要耗電，但耗電量比水解產綠氫低三倍，未來隨著工藝的進步，甚至能實現(xiàn)低七倍 [1]。

藍綠氫有望成為能源轉型的終極武器嗎？為回答這一問題，一個由多國專家組成的團隊開展了全球首項藍綠氫生命周期評估。生命周期評估，一般用于計算產品從生產到報廢的總碳排放。本次評估以美國氫氣制造商Monolith Materials位于內布拉斯加州的工廠為研究對象。該廠由風力發(fā)電站供能，將電能轉化為電弧等離子體，加熱甲烷。評估結果于2022年7月發(fā)表于《國際氫能源期刊》（International Journal of Hydrogen Energy）[2]，本期我們邀請到了論文作者之一Laurent Fulcheri介紹藍綠氫的種種優(yōu)勢。

生命周期評估算出來的藍綠氫碳足跡有多大？

在研究開始之前，人們就對藍綠氫的碳排放有著種種猜想，我們的項目第一次將其量化：生產1kg的藍綠氫，碳排放當量為0.91kg。相比之下，占全球總氫產量96%的灰氫，碳排放當量高達9.89 kg CO2e/kg，高出了十倍 [3]！我們的課題主要優(yōu)勢在于研究對象是全球首家工業(yè)化生產藍綠氫的產線，所以結果具有較高的實際代表性。

圖片來源：PI France

我們計算時，將全過程所有碳排放都包括在內，不僅考慮了電能的碳排放，還包含了碳氫化合物排放折算成的碳排放。事實上，藍綠氫絕大部分的碳足跡來源于氣體開采和輸送等供應鏈環(huán)節(jié)中發(fā)生的泄漏?，F(xiàn)在生產藍綠氫的排放基本上與綠氫（0.03-0.37 kg CO2e/kg）持平，而且用電量還更少。

本次參與生命周期評估的Monolith工廠以甲烷為原材料。甲烷能否從垃圾或污水廠收集呢？

美國頁巖氣資源豐富，所以生產藍綠氫的原料肯定會首選頁巖氣。但歐洲情況不同，尤其是考慮到俄烏沖突，未來估計會傾向以生物沼氣作為原料。

我們通過模型測算，發(fā)現(xiàn)了一種能讓藍綠氫比綠氫更環(huán)保的生產工藝——若完全以廚余垃圾產生的生物沼氣作為原材料，碳足跡可以降至-5.22 kg CO2e/kg！這是因為糧食耕種期間就能通過光合作用捕捉二氧化碳，所以全程算下來的碳排放為負值，為固碳過程。由于生物沼氣產能有限，可以考慮與來自石油的甲烷混合生產藍綠氫。只要生物沼氣占比達到十分之一，生產過程就能實現(xiàn)零排放。

為什么藍綠氫對環(huán)境的負面影響如此低？

首先，制備藍綠氫的化學反應本身就不產生二氧化碳，僅這一點就優(yōu)于蒸汽甲烷重整（灰氫）等其他工藝。此外，1kg的甲烷除了能生成250g的氫氣，還能生產750g的炭黑，后者可用于許多行業(yè)，降低它們的原料碳排放，從而使藍綠氫工藝更加綠色。

制備藍綠氫，還能減少炭黑行業(yè)的碳排放？

這是藍綠氫工藝的又一重大優(yōu)勢。每年，全世界要生產1500萬噸的炭黑，碳排放量為2.6 kg CO2e/kg，然而，石油氣裂解制氫產生的副產物炭黑，其對應的碳排放量只有0.9 kg CO2e/kg。

值得注意的是，將當前生產灰氫的設備全套更換為甲烷裂解設備，需要的投資是天文數(shù)字級別的。Monolith工廠擴建完成后，將有12條產線，整個工程要斥資10億歐元。因此，高附加值的炭黑在項目初期非常關鍵，有利于項目回本。

藍綠氫的經濟可行性，有賴于副產物炭黑的價值？

副產物炭黑主要用于生產輪胎，也用于染料、油漆、電池等產品中，不僅有經濟效益，還有戰(zhàn)略意義。歐洲的炭黑主要由烏克蘭和俄羅斯供應，但俄烏沖突已導致炭黑短缺。

藍綠氫制備產炭黑，有沒有可能導致炭黑供過于求？

如果現(xiàn)在全球所有的氫氣都通過藍綠氫工藝生產，炭黑市場的確很快就會飽和，用不完的炭黑會堆積成山。所以，已經有專家在研究第二代、第三代裂解工藝，試圖解決這一問題。不過，炭黑還有很多有待開發(fā)的新用途，例如生產建材、改善土壤質量等。實在用不完，還可以考慮填埋，也不失為一種間接的碳貯存手段。不過，供過于求只有在藍綠氫達到超大規(guī)模量產時才會發(fā)生。

在能源轉型中，藍綠氫可以發(fā)揮什么作用？

中長期來看，如果藍綠氫能代替灰氫，能極大地減少用氫行業(yè)的碳排放（鋼材、農業(yè)、煉油都需要氫氣作為原料）。當前全球的氫產量每年為6000萬噸，其中96%來自甲烷重整，排放的二氧化碳占全球總量的2%。所以，我們首先應該著手降低制氫業(yè)的碳排放，再去考慮副產物炭黑的新用途！

藍綠氫對于氫產業(yè)的去碳化可做出重大貢獻。雖然水解制氫備受矚目，但耗能極高，無法實現(xiàn)盈利。而藍綠氫工藝已經成熟，商業(yè)模式可持續(xù)，可謂前景無量！

參考資料：

1. Han J, Mintz M, Wang M. Waste-to-wheel analysis of anaerobic-digestion-based renewable natural gas pathways with the GREET model (No. ANL/ESD/11–6). Argonne, IL (United States): Argonne National Lab (ANL); 2011.

2. Diab, J., et al. (2022), Why turquoise hydrogen will be a game changer for the energy transition, International journal of hydrogen energy, volume 47, issue 61, pages 25831–25848.

3. World Energy Council (2019), Innovation Insights Brief, New hydrogen economy – Hope or hype