甲烷热解——绿色制氢的可行方案

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甲烷热解——绿色制氢的可行方案
作者:Cécile Michaut
编辑:Meister Xia
一览:
- 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 。
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