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