东芝探索“完美能源”：以可再生能源制取绿氢，全程零碳排

制氢技术有：

1.煤制氢

这是当前成本最低的制氢方式，我国实现大规模制氢的首选技术。我国当前的氢气源生产结构仍以煤为主。根据中国煤炭工业协会公开数据显示，2020年中国氢气产量超过2500万吨，其中煤制氢所产氢气占62%、天然气制氢占19%，工业副产气制氢占18%，电解水制氢仅占1%左右。在中国，煤气化制氢适用于大规模制氢，由于原材料煤炭资源丰富，价格较为低廉，已经具备了一定的经济性优势和规模效益。

2.天然气制氢

全球氢气主要来源为天然气，天然气制氢发展潜力大。天然气制氢是北美、中东等地区普遍采用的制氢路线。工业上由天然气制氢的技术主要有蒸汽转化法、部分氧化法以及天然气催化裂解制氢。天然气制氢发展潜力大，但目前存在资源约束和成本较高的问题。

3.石油制氢

多应用在石化行业，石油制氢原料通常不直接用石油制氢，而用石油初步裂解后的产品，如石脑油、重油、石油焦以及炼厂干气制氢。采用炼油副产品石脑油、重质油、石油焦和炼厂干气制氢，在制氢成本上并不具有优势。如果将这些原料用于炼油深加工可以发挥更大的经济效益，因此，不建议将炼油副产品制氢作为炼油厂制氢的发展方向，而应该考虑可再生能源制得的氢气。

4.甲醇制氢

甲醇制氢装置规模灵活，但稳定性、可靠性差。绿色甲醇能量密度高，是理想的液体能源储运方式。利用可再生能源发电制取绿氢，再和二氧化碳结合生成方便储运的绿色甲醇，是通向零碳排放的重要路径。

制氢技术的特点：

1.天然气制氢：虽然适用范围广，但是原料利用率低，工艺复杂，操作难度高，并且生成物中的二氧化碳等温室气体使之环保性降低。

2.工业尾气制氢：利用工业产品副产物，成本较低。但是以焦炉气制氢为例，不仅受制于原料的供应，建设地点需依靠焦化企业，而且原料具有污染性。

3.电解水制氢：产品纯度高、无污染，但是高成本了限制其推广。

4.光解水与生物质制氢：技术尚未成熟，实现商业化还需一定的时间。

一、概述 石油、煤矿、天然气等能源储量有限并日益枯竭，我们不得不思考：人类明天能源将会是什么呢？ 早在半个世纪以前，法国科幻小说家凡尔纳在其小说中就预言，有朝一日社会将通过以氢为基础的能源而被彻底改造。 氢气作为一种清洁、高效和丰富的新能源已渐为世人所共识。它具有以下优点： 1清洁。氢气燃烧过程中只产生水对环境没有任何污染，实现真正的“零排放”。 2贮能高。燃烧1克氢可以放出14万焦耳的热量，约为燃烧1克汽油放热的3倍。 3使用效率高。采用催化燃烧氢气燃烧产热，比常规化石燃料的热效率高10－15；用于内燃 机产生动力，比汽油效率高15－25%。 4来源丰富。占地球表面71的水中含有大量的氢，资源非常丰富。 5便于运输。输氢成本最低，损失最少。一条直径0.91米的输氢管道，用于950－1600公里输 氢，其所输送能站相当于50万伏高压输电线路所输能量的10倍以上。而建设这样的输送管道 所需费用，仅为建设高压输电线路的1/2－1/4。 6.用途广泛。用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装 即可使用。还可用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。 因此，随着“氢经济”时代的到来，人类社会亟待寻求经济有效的，可以实现工业化生产的制氢技术。 21传统制氢技术 传统的电解水制氢技术电耗过高，一般约为45kw/m3H2，成本过高不利于氢气使用技术的普及。而用火力发电的方法同样造成亏染。 此外，采用化石燃料裂解方法制氢，在产生氢气同时还有大量的CO2生成，同时化石燃料本身是不可再的。与当今世界共识的可续发展背道而驰。 22太阳能--氢能转换 太阳能是地球上能量的最终来源，既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。地球上卜海水资源十分丰富，通过太阳能把海水中的氢释放出来，经利用后又生成水，不对环境造成任何影响，不失为一条环保可持续的方法。 常规的太阳能--氢能转化通常有三种方法： （1）太阳能电解水制氢。其能量的利用得不偿失（如21一节所述）。 （2）太阳能热分解水制。生达到3000K以上的高温水的氢氧才能分解，这需要大量高倍聚光器意味着大面积土地和空间被占用，同时也是对景观的一种污染。 （3）太阳能热化学循环制氢。在较低温度（900－1200K）就能进行，但大量中间物的使用影响着氢气的价格并造成环境污染，这不是我们提们的入法。 水中氢和氧结合非常牢固。要释放出氢需要很高的能量，同时考虑对环境的作用寻找合适的太阳光分解水催化剂，通过光合作用或模拟光合作用制氢是可行之道。 222太阳光络合催化分解水制氢 科学家发现一（联吡啶钉络合物的激发态具有电子转移能力。日本产业技术综合研究所的中国籍科学家研制出一种新型的光催化剂，它由钢钽氧化物组成，表面有一层镍氧化物。这种催化剂在可见光波段起作用。 利用催化剂的化学活性，在太阳光的照射下吸收光能，产生电荷的分离、转移和集结，与水的电离反应状联，把集结的电荷转移给H+从而释放出氢气。因此，应选择易发生电荷分离的、多电子的。具有电行集结和转移能力的物质作为该过程的催化剂。锰、铬、镍、姻、担的双核或多核三联吡啶钉络合物作光解水制氢的催化剂。 采用曲率适当的透明球形密封反应器可以最大量地吸收太阳光和收集氢气，反应器内壁附着一层出纳米技术处理其表面结构制成某三联吡啶钉络合物催化剂。为了提高反应器的效率，在反应器内适当增加吸光板，以增加吸光面积和反应接触面，吸光板下部装上清扫刷，通过固定转轴与反应器底部相连。反应原料（水）在压力作用下从反应器表面和吸光板上进人反应器，以利于生成的气体及时释放出去，同时可把由于水量减少，饱和沉淀出的溶质洗到反应器底部，以防止气泡和溶质隔离水和催化剂，减小反应效率。吸光板在进水作用下以适当的速度旋转，使气体尽快逸出。在此动力作用下，清扫刷不停清扫底部淤积的溶质于反应器带的容器中，溶质可定期从容器中取出。反应器可安装在低于海平面处，利用水压自然驱动。不用额外提供动力维持反应器运行。 223利用光合作用制氢 植物在光合作用过程中，可利用太阳光将水分解为活泼的氢和氧，再利用活泼氢同二氧化碳作用合成有机物。爱默生（EmersonR）发现光合作用是两个系统的协同作用，即光系统 Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ(PSⅡ)。美国田纳西大学环境生物技术研究中心和橡树岭国家实验所的研究人员已成功将光合系统Ⅰ与光合系统Ⅱ分离开来，即去掉光合系统Ⅱ和连接结构，并在光合系统Ⅰ的一侧涂上一层铂原子，在加人电子给予体后成功地制造出氢气。 我们可以这样设想：利用光合作用的两个系统从水中释放出活泼氢和高能电子，同时阻断活泼氢同二氧化碳生成有机物的过程，并把高能电子导出给活泼氢使之还原为氢气。要使这一设想称为现实，有两个技术关键需要解决：一是怎样使反应既产生活泼氢和高能电子，又不会消耗活泼氢生成碳水化合物。爱默生提出光合作用的两个系统各自吸收不同波长的光，进行不同的特征反应。PSI的反应是长波光反应，其主要特征是NADPH的还原：PSⅡ的反应是短波光反应，主要特征是水的光解和放氧。可见活泼氢的产生和还原在不同的系统中进行，因此，分离两个系统让它们单独作用是可行之的。实际上美国研究员已完成这步的工作，并证明是可行的。 另一个技术关键问题是如何导出高能电子并传递给活泼氢，即怎样把分离的两个系统“从头到脚”重新连接起来，从而使光合系统Ⅰ可以直接利用光合系统Ⅱ分解水分子过程中产生的电子。我们知道光合作用产生的高能电子要经过复杂的电子连传递才能被利用，而从电子的产生到被利用是在 10－15－10－12秒内完成的。如此短的时间想要直接导出电子显然不可能。不过，我们可以设想利用磁场作用来解决这一问题。首先，需要提供一个强度足够大的勾强磁场并保证磁场的边界性，以保证电子有确定的偏转角；其次，得为电子提供一条合适的通道。光合系统Ⅰ和光合系统Ⅱ都是极其微小的，要建造这样小的匀强磁场同时保证其边界性还要提供一条足够小的电子通道，其技术难度相当高。电子的运动方向的不确定性，决定最终的前进方向的不确定性，这将影响电子导出效率。那么导出电子有效可行的方法在哪呢？除草剂的原理让我们看到了希望。除草剂能够与电子传递链中某些物质相结合，从而阻断电子传递，阻断光反应，阻断了光合作用，导致植物死亡。我们可以设想，同样可以利用某种物质（可能具有除草剂类似的结构）同电子传递链上的某种物质结合以阻止其电子传递，同时用电子受体代替这种物质导出电子并传递给活泼氢。理想的电子受体是既能够吸附活泼氢有能传递电子，使活泼氢在它表面接受电子还原成氢气。因此，该课题的研究可以从吸氢材料和及其电子传递机理人手，适宜的吸氢材料可能是含有某种活泼金属(如Ti、Fe、Mg等）和非金属（如P）的合金。 3小结 氢气将取代化石燃料成为人类未来主要能源之一。太阳能一氢能转化和生物制氢是氢气工业化生产技术发展的方向。在已有研究成果的基础上，通过分析光合作用过程，大胆提出“氢经济”下的太阳能一氢能转化方法，提出了太阳能络合催化水制氢的反应装置。生物制氢的原料可以是工业和生活有机废水，通过发酵细菌可以获得氢气，同时净化水质。既能处理有机废水，又保护环境，获得清洁的氢能源，是一条可持续发展的路子。 仍然有很多实际的问题，比如光催化剂的催化原理，怎样生产具有催化活性的反应器及吸光板，如何使电子受体接受电子等还都有待于深人研究。但“氢经济”即将成为必然，而清洁高效的氢气生产技术的工业化必将在远的将来成为现实。有理由相信，人类社会告别化石燃料时代的时间不会太远，基于可再生清洁能源生产和使用技术之上的可持续发展之路，将是一条光明大道。

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工业革命促进了煤炭工业的发展第二次世界大战后，石油和天然气工业又获得迅速发展。目前，石油、煤炭和天然气等化石燃料已成为世界能源的主体。据《2000世界能源统计评论》资料，1999年世界一次能源消费构成的比例是石油40.5%，天然气24%，煤炭25%，核能8%，可再生能源2.5%。由此可见，化石燃料约占世界一次能源构成的89.5%。能源结构的这种现状经历了一个长期的演变过程。在产业革命后的200年中，煤炭一直是世界范围内的主要能源。

随着科技、经济的发展，石油在一次能源结构中的比例开始不断增加，并于20世纪60年代超过煤炭。此后，石油、煤炭所占比例缓慢下降，天然气比例上升，新能源、可再生能源逐步发展，形成了当前的以化石燃料为主和新能源、可再生能源并存的格局。虽然化石能源是当前的主要能源，但化石能源的大规模低效开发和利用会导致大量资源的浪费和污染物、温室气体的排放。国内外许多专家指出，现行的能源生产、使用方式是不可持续的，按照现在的能源发展趋势，在一定时期内，难以达到可持续发展的目标。因此，必须重视研究能源发展的新思路和新模式。此外，化石燃料的不可再生和引发的不断恶化的生态环境后果也促使人们努力开发新的能源技术。现今新能源和可再生能源技术的开发己日益受到重视，预计在21世纪，以化石燃料为主体的世界能源系统将转化以太阳能和生物质能等可再生能源为主体的新的世界能源系统，化石燃料将失去世界能源主体的地位。当然，能源结构从化石能源为主转为以新能源、可再生能源为主的这一革命性变革需要一段较长的技术准备和过渡时期。新能源和可再生能源要大量取代化石能源是一项十分艰巨的任务，绝非一朝一夕可以实现的，况且与化石能源相比，目前非水可再生能源依然昂贵。世界能源理事会和国际应用系统分析研究所合作完成的研究认为：在21世纪上半叶，石油、煤炭和天然气等化石燃料仍将界一次能源构成的主体，但在21世纪下半叶，随着石油和天然气资源的枯竭，太阳能和生物质能将获得迅速发展，到2100年，太阳能和生物质能等可再生能源将占世界一次能源的50%以上。 传统的矿物燃料仍将在21世纪上半叶占据世界一次能源构成的主体的另一个理由，是世界能源需求在2020年将达到110-352亿吨标准煤，如此巨大的能源需求是任何一种新能源在短期内都无法满足的，而矿物燃料矿资源目前看依然较为丰裕，价格也比较低廉。有人估计矿物燃料按目前的开发利用强度和回收率，仍可供全世界200多年。同时，矿物燃料开发利用的技术也比较成熟，并己经系统化和标准化，而建立适合新能源开发利用的新技术体系尚需较长一段时间。

在世界能源系统的转换过程中，煤炭将成为承上启下的可靠的过渡能源。这首先是因为相对于石油和天然气资源而言，煤炭资源相对比较丰富。现在世界能源结构中所利用的化石能源主要仍然是煤炭，其次才是石油和天然气，其比例约为68%、17%、15%。根据国际上通行的能源预测，石油将在40年时间内枯竭，天然气将在60年内用光，但煤炭可以使用220年。其次，随着洁净煤技术的不断成熟，煤炭利用过程中所产生的环境问题将在一定程度上得到缓解。一些学者预测，在21世纪中叶，由于石油和天然气的短缺，煤炭液化生成的合成液体燃料的比例将增加。在替代传统的化石能源的可供选择的能源中，除可再生能源外，核能是人类未来能源的希望。根据国际原子能机构的统计，1999年全世界正在运转的核反应堆电站为436座，总发电能力为3.517亿千瓦时，发电量约占世界一次能源构成的8%左右。近几年，由于核电站运行的安全性、核废料的处理和核不扩散等因素的影响，核能的发展在欧洲、北美洲和独联体国家出现了下降趋势，但核能的发展在亚洲仍然拥有强劲的势头。为了促进核能的发展，许多国家在研究新一代快中子反应堆的同时，又加强了受控核聚变的研究，目前受控核聚变己在实验室取得阶段性成果。世界能源理事会认为，如果核技术在21世纪有重大突破，那么到2100年核能将占世界一次能源构成的30%。氢能是替代传统化石能源的理想的清洁高效的二次能源。随着制氢、氢能储运及燃料电池技术的发展，氢能将成为其他新能源和可再生能源的最佳载体替代化石能源。氢能系统由氢的生产、储运和利用三部分组成。用太阳能或其它可再生能源制氢，用储氢材料储氢，用氢燃料电池发电，将构成近“零排放“可持续利用的氢能系统，可广泛作为分布式电源。 综上所述，未来的世纪，核能、氢能、可再生能源将逐步发展并最终成为主要能源，电力将成为主要的终端能源。在21世纪，世界以化石燃料为主体的能源系统将逐步转变成以可再生能源为主体的能源系统。能源多元化将是21世纪世界能源发展的必然趋向，也是世界能源发展历程中的必然阶段。

1、蒸汽甲烷重整

蒸汽甲烷重整(SMR)是一种从主要是甲烷的天然气中生产氢气的方法。它是目前最便宜的工业氢气来源。世界上近50%的氢气是通过这种方法生产的。该过程包括在蒸汽和镍催化剂存在下将气体加热到700–1100°C之间。

产生的吸热反应分解甲烷分子并形成一氧化碳CO和氢气H2。然后一氧化碳气体可以与蒸汽一起通过氧化铁或其他氧化物并进行水煤气变换反应以获得更多量的H2.这个过程的缺点是它的副产品是CO2、CO和其他温室气体的主要大气释放。

根据原料（天然气、富气、石脑油等）的质量，生产一吨氢气还会产生9至12吨CO2，这是一种可能被捕获的温室气体。

根据原料（天然气、富气、石脑油等）的质量，生产一吨氢气还会产生9至12吨CO2，这是一种可能被捕获的温室气体。

2、甲烷热解

说明甲烷热解的输入和输出，这是一种生产氢气且无温室气体的高效一步法

甲烷的热解是从天然气中生产氢气的过程。通过流过“气泡塔”中的熔融金属催化剂，氢气分离在一个步骤中进行。这是一种“无温室气体”方法，用于测量潜在的低成本氢气生产，以衡量其扩大规模和大规模运营的能力。 该过程在更高的温度（1065°C或1950°F）下进行。

3、电解

电解包括使用电将水分解成氢气和氧气。水的电解效率为70-80%（转化损失为20-30%） ，而天然气的蒸汽重整的热效率在70-85%之间。 电解的电效率预计将在2030年之前达到82-86% ，同时随着该领域的进展继续加快，同时也保持耐用性。

水电解可以在50–80°C之间运行，而蒸汽甲烷重整需要700–1100°C之间的温度。 两种方法的区别在于使用的一次能源；电力（用于电解）或天然气（用于蒸汽甲烷重整）。

环境影响

截至2020年，大部分氢气由化石燃料生产，导致二氧化碳排放。当排放物释放到大气中时，这通常被称为灰氢，当通过碳捕获和储存(CCS)捕获排放物时，这通常被称为蓝氢。

假设美国上游和中游的甲烷泄漏率和生产通过蒸汽甲烷重整器(SMR)改装了二氧化碳捕获装置。使用具有二氧化碳捕获功能的自热重整器(ATR)可以在令人满意的能源效率下实现更高的捕获率，并且生命周期评估表明，与具有二氧化碳捕获功能的SMR相比，此类工厂的温室气体排放量更低。

经评估，在欧洲应用ATR技术与二氧化碳的综合捕获相比，其温室气体排放量低于燃烧天然气，例如，H21项目报告称，由于二氧化碳强度降低了68%，因此温室气体排放量减少了68%。天然气与更适合捕获二氧化碳的反应器类型相结合。

使用较新的无污染技术甲烷热解生产的氢气通常被称为绿松石氢气。高质量的氢气直接由天然气生产，相关的无污染固体碳不会释放到大气中，然后可以出售用于工业用途或储存在垃圾填埋场。

由可再生能源生产的氢气通常被称为绿色氢气。有两种从可再生能源生产氢气的实用方法。一种是电制气，其中电力用于电解水制氢，另一种是利用垃圾填埋气在蒸汽重整器中制氢。当由风能或太阳能等可再生能源生产时，氢燃料是一种可再生燃料。

通过电解由核能产生的氢有时被视为绿色氢的一个子集，但也可以称为粉红色氢。奥斯卡港核电站于2022年1月达成协议，以每天公斤的数量级供应商业粉红色氢气。