文|創(chuàng)瞰巴黎 Cécile Michaut
編輯|Meister Xia
一覽：
- 黑氫、棕氫和灰氫來源于化石燃料，藍氫則在此基礎上結合了碳捕獲與封存技術，能夠有效降低碳排放量。
- 綠氫來源于水電解制氫技術，但它需要消耗大量的電力和可再生能源。
- 藍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，可以實現(xiàn)負碳排放。
氫能是一種清潔燃料，其制取過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，但價格高昂，因此應用范圍有限。好消息是，甲烷熱解等高效、清潔的新興技術正在不斷涌現(xiàn)。根據(jù)制取方式和過程中碳排放量的差異，氫氣可分為灰氫、藍氫、綠氫和藍綠氫。
氫能是一種理想的能源嗎？
氫能本身十分清潔，無論是燃燒發(fā)電還是化學反應發(fā)電（燃料電池），它的產物都只有水和能量。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，只能通過某種方式裂解。不幸的是，制氫需要大量的能量，過程中會帶來嚴重的污染。當前，約有95%的氫氣由化石燃料制成。生產一噸氫氣會產生十噸二氧化碳。高度污染的制氫過程使其飽受詬病，因此，人們亟需找到一種清潔的制氫方法。
水電解制氫技術占全球氫氣產量的5%，由于生產過程更加清潔，其產物被稱為“綠氫”。水電解只會生成氧氣和氫氣，該過程雖然清潔低碳，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行，生產每公斤氫氣至少需要40度電。然而，電解器當前只能達到60%的效率，這意味著生產一公斤氫氣需要60度電。
如果電解過程由可再生能源、核能，或是上述能源組合發(fā)電，則會大幅降低二氧化碳排放量，這一過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)法國當前的電價， 一公斤綠氫的成本為4-6歐元。相比之下，蒸汽重整技術的成本還不到1歐元。考慮到市場現(xiàn)狀，大規(guī)模部署綠氫的可行性很低。
圖片來源：PI France
注：表中列出了氫氣的不同來源和應用技術，以及生產過程中的二氧化碳排放量。
制氫技術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相結合，可以有效降低二氧化碳排放量（參見文章：二氧化碳的捕獲與封存），生成“藍氫”。在這種情境下，氫氣的生產成本會增加一至兩倍，達2-3歐元/公斤。蒸汽甲烷重整生成的氫氣被稱為灰氫，燃燒煤炭產生的氫氣則被稱為黑氫。
不過，還有一種方法更加奏效。近日，更為清潔的“藍綠氫”成了政界和業(yè)界的關注焦點，但它遠非什么新奇事物。事實上，我自1995年以來就一直在研究藍綠氫，可以說，它與我的職業(yè)生涯息息相關。藍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。整個過程雖然需要使用電力，但用電量要遠低于電解技術（用電量要少4-7.5倍），且無二氧化碳排放。一公斤甲烷可以生成250克氫氣和750克固態(tài)碳，帶來額外的價值催生。更重要的是，甲烷熱解在生成單位數(shù)量的氫氣時，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)模化應用？
甲烷熱解工藝正在美國進行規(guī)模化開發(fā)，由我們在美國的工業(yè)伙伴——Monolith Materials公司負責。2012-2017年，他們在加州完成了試點項目，現(xiàn)已開始推進工業(yè)化應用。當前，第一套裝置已經(jīng)建成，其余11套也將很快跟進。鑒于規(guī)模擴大的技術阻礙已不復存在，幾個月后，我們將有望見證甲烷熱解工藝正式走向規(guī)模化應用。該裝置可以熱解2萬噸天然氣，生成1.5萬噸炭黑和5000噸氫氣。
當前，這一工藝的經(jīng)濟效益主要由炭黑貢獻。熱解過程產生的炭黑可被用于輪胎制造，售價約為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，氫氣將貢獻越來越多的經(jīng)濟價值。現(xiàn)有技術主要以炭黑為首要考量（根據(jù)所需的炭黑等級來設定溫度），今后，技術優(yōu)化將主要基于氫氣生產需要，炭黑的新應用也會層出不窮。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（通過在沼氣廠或垃圾填埋場分解有機材料）?？紤]到沼氣本身含有大量的二氧化碳，且二氧化碳會在氫氣的作用下還原成甲烷，這一過程實際會減少大氣中的二氧化碳含量，實現(xiàn)負碳排放。
還有其他方法可以制成藍綠氫嗎？
有，但其他技術還僅存于實驗室或演示階段。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行分解。美國加利福尼亞州和澳大利亞均有相關試點項目。德國工業(yè)巨頭巴斯夫也在研究如何使用催化劑來分解甲烷。這些競爭對手十分強大，但他們均有一些技術挑戰(zhàn)亟待克服。
由Cécile Michaut采訪