摘要：氫氣是理想高效的清潔能源。以傳統(tǒng)能源制氫為主導(dǎo)制氫產(chǎn)業(yè)具有高能耗高污染的特征，在資源環(huán)保問題日益突出的當(dāng)下，本文將對各類制氫技術(shù)的優(yōu)劣特征進(jìn)行對比，為制氫產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的路線提供參考。

　　氫氣在自然界中不以分子形式存在，獲取氫氣需要通過一定的技術(shù)手段從含有氫元素的水或碳水化合物中轉(zhuǎn)化得到。無論是傳統(tǒng)制氫技術(shù)還是新型制氫技術(shù)，氫氣的生產(chǎn)過程必然伴隨著一定的物耗和能耗。本文將圍繞能耗和溫室氣體釋放當(dāng)量兩個(gè)特征指標(biāo)，對各類制氫技術(shù)的主要特征進(jìn)行對比。

　　煤氣化制氫與天然氣制氫能耗高 對環(huán)境不友好

　　煤氣化制氫指的是在一定溫度壓力條件下，水蒸氣與煤發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)含有CO的合成氣，再通過對CO進(jìn)行處理，從而將合成氣全部轉(zhuǎn)化為氫氣。目前成熟的煤氣化制氫包括以下幾個(gè)流程：煤氣的獲取與運(yùn)輸，氫氣的制備、收集與運(yùn)輸。

　　現(xiàn)階段我國煤氣化制氫技術(shù)應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)良好，但污染嚴(yán)重等環(huán)保問題較為突出。安大略理工大學(xué)學(xué)者針對煤氣化制氫技術(shù)的溫室氣體釋放量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)284t氫氣/天溫室氣體釋放當(dāng)量為11299.18CO2/kgH2;西安建筑科技大學(xué)學(xué)者就煤氣化制氫，對無煙煤進(jìn)行了研究，得出無煙煤氣化制氫能耗為321.9MJ/kgH2。波蘭克拉科夫BURMISTRZ等學(xué)者對比了Texaco/GE和Shell公司兩種不同的煤氣化制氫工藝，兩家公司的不同點(diǎn)在于Texaco/GE采用水煤漿預(yù)處理技術(shù)，而Shell采用的是煤粉預(yù)處理技術(shù)，評價(jià)結(jié)果見表1。從研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤氣化制氫溫室氣體釋放當(dāng)量和能耗分別為5000-11300CO2/kgH2與190-325MJ/kgH2。

　　表1 Texaco/GE和Shell煤氣化制氫的數(shù)據(jù)結(jié)果對比

(根據(jù)公開資料整理)

　　從整體上來說，煤氣化制氫能耗偏高，對環(huán)境不友好。煤氣化制氫想要順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，則必須對系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)備等方面進(jìn)行升級改造，全方面提高技術(shù)水平。

　　表2 各類制氫技術(shù)的生命周期成本

　　與之相似的還有天然氣制氫技術(shù)，天然氣制氫的能耗與溫室氣體釋放當(dāng)量分別為165-360MJ/kgH2和3900-12900CO2/kgH2，研究結(jié)果表明天然氣制氫技術(shù)的環(huán)保性能仍有待提升。造成能耗和溫室氣體的主要因素是制氫反應(yīng)運(yùn)行過程，因此要從改善反應(yīng)條件、減少反應(yīng)過程能耗損失等方面著手來提高系統(tǒng)的整體環(huán)保效應(yīng)。

　　核能熱利用制氫先進(jìn)環(huán)保 但前期建設(shè)所需能耗頗大

　　熱循環(huán)制氫指通過若干個(gè)化學(xué)反應(yīng)，將水的分解分成幾個(gè)中間反應(yīng)進(jìn)行，從而制備氫氣，這一過程需要大量的熱能。通過核反應(yīng)為其提供熱量，即核能熱利用制氫，是目前較為先進(jìn)且環(huán)境友好程度較高的制氫技術(shù)。硫-碘循環(huán)制氫和銅-氯循環(huán)制氫是現(xiàn)階段較為典型的熱化學(xué)循環(huán)制氫方法，但由于核能-熱化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜程度較高，因此實(shí)際應(yīng)用案例比較稀少。

　　安大略理工大學(xué)對核能熱化循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了專門的研究，結(jié)果表明這一技術(shù)的能耗與溫室氣體釋放量為373MJ/kgH2和860gCO2/kgH2;墨西哥國立自治大學(xué)對基于硫-碘循環(huán)的核能供熱制氫系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的溫室氣體釋放當(dāng)量為300gCO2/kgH2，溫室氣體釋放量占比最大的環(huán)節(jié)是核反應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行過程，具體占比高達(dá)66.66%。

　　另外，安大略理工大學(xué)也對銅-氯循環(huán)的核能熱利用制氫進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果見表3。

　　表3 核能供熱Cu-CI循環(huán)制氫系統(tǒng)影響

　　(根據(jù)公開資料整理)

　　總體而言，核能利用制氫技術(shù)的能耗與溫室氣體釋放量為360-410MJ/kgH2和300-860gCO2/kgH2，核能系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行對整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)保效益起決定性作用，目前核能熱化學(xué)制氫技術(shù)能耗高的主要原因也是核能反應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè)投入較大。因此，要進(jìn)一步推廣利用核能熱化學(xué)制氫技術(shù)，必須對核能系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

　　生物質(zhì)氣化制氫工藝復(fù)雜且氫氣提純難度高

　　通過制造氣化反應(yīng)條件，將稻草、楊樹皮等農(nóng)作棄物中的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為氫能的技術(shù)被稱為生物質(zhì)氣化制氫。該技術(shù)能源來源廣泛，但其局限性也較為明顯，一方面對于原料的預(yù)處理工藝復(fù)雜程度頗高，另一方面，由于初產(chǎn)物含有較多雜質(zhì)，氫氣提純的難度也頗高。

　　西班牙IMEDA能源研究所對生物質(zhì)氣化制氫技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，他們以楊樹作為能源作物，研究結(jié)果顯示整個(gè)過程的能耗和溫室氣體分別為19.52MJ/kgH2和405gCO2/kgH2;而西班牙HAJJAJI等學(xué)者以農(nóng)作物秸稈等給累生物廢棄物為制氫原料，研究發(fā)現(xiàn)這一過程的整體能耗和溫室氣體釋放量分別為4.98MJ/kgH2和5590gCO2/kgH2。

　　由此可見，生物質(zhì)氣化制氫法的能耗與溫室氣體釋放當(dāng)量區(qū)間分別為4-20MJ/kgH2和400-5600gCO2/kgH2。整體而言，生物質(zhì)氣化制氫對環(huán)境較為友好。

　　可再生能源制氫清潔環(huán)保 未來發(fā)展前景廣闊

　　基于電化學(xué)原料的電解水制氫是一種常見制氫技術(shù)，主要包括利用電網(wǎng)的電能制氫和可再生能源發(fā)電制氫兩種方式。前者不僅能耗高，且溫室氣體釋放當(dāng)量也較大;后者則具有清潔環(huán)保的特征。目前可再生能源發(fā)電制氫技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到實(shí)際推廣的要求，發(fā)展前景廣闊。

　　風(fēng)電制氫是指電解水制氫與風(fēng)力發(fā)電相合的制氫系統(tǒng)。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對于風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)的整體能耗與溫室氣體釋放當(dāng)量分別為9.1MJ/kgH2和970gCO2/kgH2;占總能耗最高的環(huán)節(jié)是風(fēng)機(jī)的制造過程，占比為72.6%。REITER等學(xué)者采用GABI5軟件對收集的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電制強(qiáng)技術(shù)的能耗和溫室氣體釋放當(dāng)量分別為12MJ/kgH2和600gCO2/kgH2。整體上來看，風(fēng)電制氫系統(tǒng)的能耗和溫室氣體釋放當(dāng)量為9-12MJ/kgH2和600-970gCO2/kgH2，符合節(jié)能環(huán)保的要求。要進(jìn)一步提高該技術(shù)的整體效益，就必須要對風(fēng)機(jī)建設(shè)的投入進(jìn)行優(yōu)化。

　　光伏發(fā)電制氫所需的電能由光伏板轉(zhuǎn)化的電能供給。安大略理工大學(xué)對光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示光伏大學(xué)的能耗與溫室氣體釋放當(dāng)量分別為33.44MJ/kgH2和2412CO2/kgH2。REITER通過GABI5軟件分析得出，光伏發(fā)電制氫技術(shù)的能耗和溫室氣體釋放當(dāng)量為77.864MJ/kgH2和6674gCO2/kgH2。由此我們可以得出，光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)的能耗和溫室氣體釋放當(dāng)量約為30-80MJ/kgH2和2400-6800gCO2/kgH2。

　　可再生能源發(fā)電制氫環(huán)境友好程度高，運(yùn)行過程的排放較低，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢也會(huì)更加明顯。

　　結(jié)語

　　總體而言，煤氣化制氫能耗高，但對環(huán)境不友好;天然氣制氫技術(shù)產(chǎn)氫率高，但環(huán)保性能有待提升;核能熱利用制氫先進(jìn)環(huán)保，但前期建設(shè)需要投入較大;生物質(zhì)氣化制氫工藝復(fù)雜且氫氣提純難度高;而可再生能源發(fā)電制氫環(huán)境友好程度高，運(yùn)行過程的排放較低，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢也會(huì)更加明顯，未來電解水等可再生能源制氫發(fā)展前景廣闊。