甲烷热解——绿色制氢的可行方案

作者：Cécile Michaut

编辑：Meister Xia

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黑氢、棕氢和灰氢来源于化石燃料，蓝氢则在此基础上结合了碳捕获与封存技术，能够有效降低碳排放量。

绿氢来源于水电解制氢技术，但它需要消耗大量的电力和可再生能源。

蓝绿氢的生成需要电力和甲烷的共同作用，但其耗电量要比电解技术低4-7.5倍，因此前景可观。

由于沼气本身含有大量的二氧化碳，若从沼气中提取甲烷，可以实现负碳排放。

氢能是一种清洁燃料，其制取过程却充斥着大量的碳排放。水电解制氢等碳排放较低的工艺虽然存在，但价格高昂，因此应用范围有限。好消息是，甲烷热解等高效、清洁的新兴技术正在不断涌现。根据制取方式和过程中碳排放量的差异，氢气可分为灰氢、蓝氢、绿氢和蓝绿氢。

氢能是一种理想的能源吗？

氢能本身十分清洁，无论是燃烧发电还是化学反应发电（燃料电池），它的产物都只有水和能量。由于氢在地球上主要以化合物形式存在，要想得到氢气单质，只能通过某种方式裂解。不幸的是，制氢需要大量的能量，过程中会带来严重的污染。当前，约有95%的氢气由化石燃料制成。生产一吨氢气会产生十吨二氧化碳。高度污染的制氢过程使其饱受诟病，因此，人们亟需找到一种清洁的制氢方法。

水电解制氢技术占全球氢气产量的5%，由于生产过程更加清洁，其产物被称为“绿氢”。水电解只会生成氧气和氢气，该过程虽然清洁低碳，但耗电量巨大，因此能源消耗难以避免。如果电解器以最大效率运行，生产每公斤氢气至少需要40度电。然而，电解器当前只能达到60%的效率，这意味着生产一公斤氢气需要60度电。

如果电解过程由可再生能源、核能，或是上述能源组合发电，则会大幅降低二氧化碳排放量，这一过程生成的氢气被称为“粉氢”或“黄氢”。他们都属于绿氢。

与水电解相比，蒸汽甲烷重整（使用化石燃料）更为普遍。毕竟，根据法国当前的电价， 一公斤绿氢的成本为4-6欧元。相比之下，蒸汽重整技术的成本还不到1欧元。考虑到市场现状，大规模部署绿氢的可行性很低。

图片来源：PI France

注：表中列出了氢气的不同来源和应用技术，以及生产过程中的二氧化碳排放量。

制氢技术怎样才能变得更加清洁？

将蒸汽甲烷重整和碳捕获与封存技术相结合，可以有效降低二氧化碳排放量（参见文章：二氧化碳的捕获与封存），生成“蓝氢”。在这种情境下，氢气的生产成本会增加一至两倍，达2-3欧元/公斤。蒸汽甲烷重整生成的氢气被称为灰氢，燃烧煤炭产生的氢气则被称为黑氢。

不过，还有一种方法更加奏效。近日，更为清洁的“蓝绿氢”成了政界和业界的关注焦点，但它远非什么新奇事物。事实上，我自1995年以来就一直在研究蓝绿氢，可以说，它与我的职业生涯息息相关。蓝绿氢的生成需要电力和甲烷的共同作用，甲烷在极高的温度（1000℃-2000℃）下热解后，生成氢和固态碳。整个过程虽然需要使用电力，但用电量要远低于电解技术（用电量要少4-7.5倍），且无二氧化碳排放。一公斤甲烷可以生成250克氢气和750克固态碳，带来额外的价值催生。更重要的是，甲烷热解在生成单位数量的氢气时，所需的电力要比水电解少7倍（但它所制的氢气要比水电解少两倍）。

甲烷热解工艺是否已得到了规模化应用？

甲烷热解工艺正在美国进行规模化开发，由我们在美国的工业伙伴——Monolith Materials公司负责。2012-2017年，他们在加州完成了试点项目，现已开始推进工业化应用。当前，第一套装置已经建成，其余11套也将很快跟进。鉴于规模扩大的技术阻碍已不复存在，几个月后，我们将有望见证甲烷热解工艺正式走向规模化应用。该装置可以热解2万吨天然气，生成1.5万吨炭黑和5000吨氢气。

当前，这一工艺的经济效益主要由炭黑贡献。热解过程产生的炭黑可被用于轮胎制造，售价约为1欧元/公斤。炭黑占轮胎材料的30%左右，有助于轮胎抵御磨损、紫外线辐射和高温。未来，氢气将贡献越来越多的经济价值。现有技术主要以炭黑为首要考量（根据所需的炭黑等级来设定温度），今后，技术优化将主要基于氢气生产需要，炭黑的新应用也会层出不穷。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。这比储存二氧化碳成本更低，也更安全。

更好的一种做法，是从沼气中提取甲烷（通过在沼气厂或垃圾填埋场分解有机材料）。考虑到沼气本身含有大量的二氧化碳，且二氧化碳会在氢气的作用下还原成甲烷，这一过程实际会减少大气中的二氧化碳含量，实现负碳排放。

还有其他方法可以制成蓝绿氢吗？

有，但其他技术还仅存于实验室或演示阶段。比如，现有一种名为“液态金属浴”的方法，主要原理是将甲烷注入含有熔融金属的圆柱体容器中进行分解。美国加利福尼亚州和澳大利亚均有相关试点项目。德国工业巨头巴斯夫也在研究如何使用催化剂来分解甲烷。这些竞争对手十分强大，但他们均有一些技术挑战亟待克服。

由Cécile Michaut采访

Laurent Fulcheri

巴黎高等矿业学院可再生能源和系统研究中心主任

科学记者，巴黎第十一大学化学博士

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