出品：科普中国
作者：陈劲涛（北京航空航天大学）陈琳 郝勇 刘明恺 王彬 郭轲（中国科学院工程热物理研究所）
监制：中国科普博览
氢能因其零碳、绿色、能量密度高等优点，在未来的能源结构中必将扮演重要角色，对于能源结构调整、产业低碳发展、“双碳”目标实现，都具有重大意义。
【用】北京冬奥会与氢能的不解之缘
氢能可以用在方方面面。
就以2022年北京冬奥会为例，这次冬奥会产生的碳排放全部实现中和，被称为“最绿色”的冬奥会，而“最绿色”背后，是许多的“科技与狠活”，尤其是在氢能的利用上。
首先，与往届奥运会使用液化天然气或丙烷等气体作为火炬燃料有所不同，北京冬奥会火炬“飞扬”是用氢点燃的，**采用的是世界首套高压储氢火炬，**先后解决了氢火焰可视性、复杂曲面适应性、大比例减压、氢安全利用、氢燃料储存等诸多技术难题，首次实现了冬奥会历史上火炬的零碳排放。
北京冬奥会点火仪式场景
（图片来源：中央电视台官网）
一朝盛会史无前，双奥古城尽开颜。实际上，在北京举行的两届奥运会都与氢有着不解之“缘”，氢能对环保的贡献也不仅仅是在火炬上。
2008年北京夏季奥运会，我国首座车用加氢站在京建成，实现了氢燃料电池汽车“0到1”的突破。2022年冬奥会，**共计投入使用816辆氢燃料电池汽车，成为交通运输的主力工具，**实现了氢燃料电池汽车“1到100”的突破，大大降低了污染排放。
冬奥赛区内运行的氢能大巴
（图片来源：中央电视台官网）
经过多年的深入研究，人们从最初的“谈氢色变”到如今的寄予厚望，氢能已然在能源结构变革的过程中占有了不可替代的一席之地。北京冬奥会更是为氢能提供了世界级的展示舞台，让氢能利用，不仅在空中、在地上，更扎根于普通大众的心里。
【破】传统制氢制取工艺：碳排放如影随形
要想安全便捷地使用氢能，首先要解决的就是氢气的制取问题。
氢是一种二次能源，无法直接从自然界中获取，需要通过其他方式制备得到。从表1可以看出，传统制氢方式主要有：通过化石能源制氢、工业副产氢、电解水和其他方式产氢等。目前，最主要的两种制氢方式是工业天然气重整和煤气化制氢。
表1 全球和中国氢气生产结构现状
（数据来源：参考文献[1]）
工业天然气重整制氢是全球目前使用最广泛的制氢方法，占总产氢量的62%以上。天然气重整的主要优势在于，天然气是一种丰富的能源，也是含碳比例最低的主要能源，并且开采的成本很低，经过长期发展已形成了完善和成熟的技术，很容易扩大生产规模。
但这一方法对环境并不友好。天然气重整涉及一系列将甲烷转化为氢气的化学反应，这一过程会排放大量的二氧化碳，加剧气候变化问题。
同时，该过程反应温度高(800-1000摄氏度)，工业上一般采用燃烧部分甲烷的方式供给反应热，这直接导致生产每千克氢气所需的能耗高、二氧化碳排放高，而且导致每立方天然气能够生产的氢气减少。每生产1千克氢气要向大气排放8-11千克二氧化碳。
制氢-储氢-运氢产业链示意图
（图片来源：veer图库）
另一种主要的制氢方式就是煤气化制氢。我国目前的能源利用结构仍以煤炭为主，而且煤炭资源相对充足，成本也比较低，因此煤气化制氢在我国使用广泛。
然而，煤气化制氢过程复杂，而且与工业天然气重整制氢相比，能耗更高、碳排放更高。煤气化制氢技术每千克氢的二氧化碳排放为20-25千克。此外，煤气化更容易产生二氧化硫和氮氧化物等其他污染物，容易引起空气污染。所以，煤气化制氢的经济和环境综合效益，不如天然气重整制氢。
但不得不说，以上两种传统的制氢技术都伴有不同程度的温室气体排放。在“双碳”背景下，直接采用传统制氢技术开展氢能的大规模制备，将导致氢能与碳排放之间难以调和的矛盾，严重制约了氢能的高效生产和广泛使用。
但是，如果能够将含碳能源向氢能转化过程中的二氧化碳全部捕集，并加以封存或转化利用，就可以显著降低甚至避免碳排放，使利用含碳能源制取的氢变为真正的“可持续”“绿色”氢能。这一点我们能做到吗？中国科学家的回答是：能。
氢能
（图片来源：veer）
【立】“净零排放”的天然气制氢原理突破成功
中国科学院工程热物理研究所分布式供能与可再生能源实验室首次提出了多产物顺序分离的新原理和顺序分离驱动的甲烷蒸汽重整新方法，实现了400摄氏度温和条件下“净零排放”的天然气制氢原理突破。
采用这种新技术，每立方米天然气理论上可以制取4立方米氢气，实际测试结果为3.85立方米左右，比工业天然气重整的单位产氢量（2.5立方米）高50%以上。燃烧的取消和产品分离能耗的降低，使得生产每千克氢所对应的能耗下降20-40%。
目前，团队研制的原理样机在400摄氏度和常压的温和条件下，实现了>99%的甲烷转化率，>99%的氢气和二氧化碳产率和选择性，从而直接获得高纯度氢气和二氧化碳，并完成了长达3周、6000次循环的可靠性验证，初步展示了该项技术转化应用的广阔前景。
与此同时，在这项新技术中，通过多产物有序分离，使天然气中所有的碳元素都以高纯二氧化碳的形式被直接捕集，避免了二氧化碳向大气的直接排放。制取氢气量高，同时实现“净零排放”，这项技术实现了“鱼与熊掌可以兼得”的畅想。
【理】依次分离+逐步汇集+高纯捕集=净零排放
那么，研究人员是如何实现这一制氢原理的突破的呢？
首先，通过依次分离目标产物氢气和二氧化碳，推动天然气被消耗，并通过反应向着产生更多氢气和二氧化碳的方向转化。在这个过程中，天然气的消耗比例随着每个制氢、脱碳步骤的完成，呈阶梯式上升，直至最终100%转化。
其次，把中间各分离步骤产生的氢和二氧化碳汇集起来，可分别得到高纯氢和高纯二氧化碳产品，并实现天然气原料向氢和二氧化碳产品的最优转化效果。同时，顺序分离两种产物能够产生最有利于分离的压力条件，从而达到分离产物的能耗最小化。
实验平台示意图
（图片来源：参考文献[2]）
与传统制氢技术不同，这种新原理的思路并不刻意追求天然气向氢气的一次性转化效果，因此不需要很高的反应温度，但通过改为渐进的制氢路线并优化相应流程，可以实现与传统制氢相同的天然气100%转化效果。
超过6000次循环的天然气产量和H2/CO2比率的稳定性
（图片来源：参考文献[2]）
这项技术对减排最大的贡献是，在实现高纯二氧化碳的直接捕集、减少二氧化碳的排放的同时，还将二氧化碳从一种难处理的废气变成了具有多种潜在用途的资源。
例如，可注入油井提高原油采收率，也可直接注入地下封存；可作为化工原料，以及用于食品加工和保鲜、医疗用途、消防等。面向未来以可再生能源为主的能源结构，二氧化碳的另一种重要的转化途径是通过绿电（如光伏等）将其转化为高附加值化学品（如甲酸、甲醇等），并进一步制造范围广泛的工业品。
这项新技术所具有的高纯碳捕集、与可再生能源互补这两个显著优点，将有助于推动可再生能源在能源、化工等领域的加速渗透。
【望】“净零排放”，一展雄风！
这种温和条件下的“净零排放”制氢技术，主要意义在于，在“双碳目标”和大力发展可再生能源的国家重大需求背景下，改变传统的粗放用能和制氢模式，发展适合我国能源结构特点的可持续制氢技术。
有序分离氢气和二氧化碳产物的新原理，使这项新技术在降低制氢温度和能耗、制氢脱碳一体化、设备小型化等多方面实现了突破，提供了一个审视氢能技术全链条的新视角。
分布式清洁能源多能互补能源系统示意图（自制）
（图片来源：作者自制）
该技术有望推动制氢思路，从目前的集中式、大型化向分布式、小型化、面向对象需求的方向转变，从而对大规模发展低碳、可持续氢能技术具有重要意义。
首先，新技术能够大幅降低基于含碳能源制氢所伴生的高二氧化碳排放，并降低了能耗、提高了能源利用效率，使基于含碳能源的氢能变为可持续。
其次，针对氢能技术全链条各个环节目前所遇到的挑战，该技术以天然气为载体，可以较好地解决氢能的“制”“储”“运”问题，从而显著降低氢能的储运成本和安全风险，加速氢能的发展应用和普及。
再次，基于天然气的分布式制氢思路，可以充分利用现有的燃气管网站点基础设施，显著降低投资成本。
最后，分布式制氢与太阳能、工业余热等低碳能源的分布式特点不谋而合。通过两者之间的结合，不仅可以进一步提升氢能的可持续性，而且能够借助含碳能源的优势地位，提升可再生能源的消纳能力。
结语
降低碳排放是化石能源技术和可再生能源技术的共同目标。要实现这一目标，需要从能源结构的现实情况出发，从“节流”和“开源”两方面同时入手，研发高效、低碳的化石能源利用技术和稳定、低成本的可再生能源技术。
因此，我们在清洁、高效利用化石能源（煤、天然气等）的基础上，要进一步借助这种主体地位优势，加速太阳能等可再生能源的发展，同时实现化石能源技术的脱碳，在助力能源转型的同时实现两者的共赢。
“双碳”战略绝不是靠某个领域或某个行业孤军奋战，而是需要社会各界共同行动，并肩寻找绿色、可持续的发展方案，在这一过程中，科学家们承担着打开新思路、寻找新突破的重任。前路漫漫亦灿灿，行则将至。
参考文献：
1. 刘尚泽,于青,管健.氢能利用与产业发展现状及展望[J].能源与节能,2022,No.206(11):18-21.DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2022.11.038.
2. Yunyi Ling, Hongsheng Wang, Mingkai Liu，et al.Sequential separation-driven solar methane reforming for H2derivation under mild conditions[J]. Energy Environ. Sci., 2022, 15, 1861. DOI: 10.1039/d1ee03870b.
2023-07-10
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