东芝探索“完美能源”：以可再生能源制取绿氢，全程零碳排

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。

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。

因为直接用可再生能源发电导致电网的调峰压力非常大，巨大。弃风弃光弃水问题很严重。储能是提高电网调节能力的最佳手段之一。目前应用最多的是抽水蓄能，其次也有储热、电化学电池、压缩空气的各种技术路线。

本质上电制氢也是储能的一种。在电网下调峰能力不足的时候（即出现弃电的时候），将弃电部分用来制氢，或者在夜间负荷低的时候，用低价电制氢，在需要的时候，不管是发电还是直接燃烧，取用储存的能量。

用氢作为能源发电，两步过程中能量难免会有损失，但是其实仔细琢磨一下，还是可行的，主要是得采用廉价易得的电能来电解之制氢，像大规模的太阳能、风能都是很好的清洁能源。

提高电解制氢的效率后，能量从太阳能转移到氢能源里。由于氢气能量密度大，移动性好，不受天气影响，所以用氢气作为汽车的驱动能源还是很不错的选择，清洁环保。这其中最主要的还是得提高制氢的效率和氢转化为电和动力的效率。

可再生能源制氢的用处

可再生能源制氢有它的优势，采用了可再生能源，以风光水等等可再生能源为载体，以氢气作为一个二次能源的载体，在能源转型中可以和电力互为补充，以实现工业、建筑、电力、交通运输等产业互联。

目前广泛使用的氢源主来自化石燃料、电解水和化工副产氢。此外，生物质制氢、核能制氢和光催化制氢正在研究，还没达到工业化应用的水平。可再生能源制氢只能选择电解水制氢，化石燃料制氢和化工副产氢都是有碳排放的。

我国可再生能源制氢将会在2030年实现平价，相信大家对于氢能还没有一个具体的了解。随着我国的发展和经济实力的不断提高，科学技术也是变得越来越高级，对于很多资源也是实现了可以再生，因为现在很多资源在使用的过程中会对我们的环境产生破坏，比如煤炭。所以说我们也是在不断的开发出新的洁净能源。氢能就是这些能源当中的一种，在未来，它具有非常好的发展前景，所以在未来的生活当中，氢能可能会作为我们最主要的使用能源出现。

首先我们要对氢能源有一定的了解，氢能源就是可再生的二次能源，它能够通过一些可再生的方式从其他反应那里制出来氢能源，这也是它之所以是清洁能源的主要原因，因为我们知道，很多能源是不可再生的，就比如说煤炭，如果说我们对于煤炭过度开采的话，那么肯定会出现匮乏的现象，因为煤炭作为自然资源，它是长期储藏在地下的并且不会再生。如果我们对它过度使用的话，肯定有一天会出现灭绝的现象，氢能并不会，它属于可再生能源，我们使用完以后可以从其他的反应当中来制取这样就能够达到一个循环的作用，也是出于这个角度亲能才会被作为是清洁能源被开发。

当氢能实现平价以后将会有非同凡响的意义，首先对于我们国家来说就会实现一更高级的能源使用形式。因为氢能是可再生的清洁能源。所以说在未来将会让我们的科学研究变得更加高效，且清洁将不会再对我们的生活环境产生破坏。在近几年因为过于注重国家的发展，而忽略了能源对于环境的破坏，导致我们现在的生态环境已经发生了质的改变，温室效应的影响也是越来越严重。所以氢能能的出现将会在很大程度上改变这样的局面，并且也会被其他国家所效仿，这就是氢能最大的用处。

其次就是在它实现平价之后，将会有更多的人能够使用的起亲能，在之前我们仅有煤炭的时候，很多人就因为经济实力的原因，没有使用煤炭的经济条件。再到现在大家都普遍使用天然气，也仍然有一些贫困地区依然无法享受到这一待遇。那么在未来，如果说氢能能够实现平价的话，我国的大部分居民都会有生活条件来使用如此清洁的可再生能源，这将会对大家的生活和各方面带来很多的便利，并且还会节省大家的金钱，对于提高我们国家的居民水平有很大的帮助。

1、用碱性电解槽制氢

碱性电解槽主要由电源、电解槽、电解液、阴极、阳极和隔膜组成。电解液为氢氧化钾溶液（KOH），浓度为20%～30%；隔膜主要由石棉构成，主要起分离气体的作用，而两个电极主要由金属合金构成。

它的主要工作原理是：在阴极，水分子被分解成氢离子（H+）和氢氧根离子（OH-）。氢离子得到电子产生氢原子，进而产生氢分子（H2）；离子（OH-）在阳极和阳极之间电场力的作用下穿过多孔隔膜，到达阳极，在那里失去电子生成水分子和氧分子。

电解槽内的导电介质为氢氧化钾水溶液，两极室的隔板为航天电解设备的优质隔膜，与端板一体的耐腐蚀、传质良好的栅电极形成电解槽。对两极施加直流电后，水分子立即在电解槽的两极发生电化学反应，在阳极产生氧气，在阴极产生氢气。反应式如下： 阳极：2OH--2e → H2O+1/2O2↑ 阴极：2H2O +2e →2OH- +H2↑ 总反应式：2H2O → 2 H2↑ +O2↑

2. 高分子薄膜电解槽制氢

聚合物膜电解槽（PEM）制氢，有些地方也称为固体聚合物电解质（SPE），用于水电解制氢。这个原理不需要电解液，只需要纯水，比碱性电解槽更安全。电解槽效率可达85%以上。然而，由于在电极处使用铂和其他贵金属，因此薄膜材料也是昂贵的材料。 PEM电解槽目前难以大规模投入使用。

其主要工作原理是：向膜电极组件供给去离子水，在阳极侧发生氧、氢离子和电子反应；电子通过电路转移到阴极，氢离子以水合（H+XH2O）的形式通过离子交换膜到达阴极；

制氢技术

化石能源制氢技术相对成熟，可满足大规模用氢需求；制氢技术正在转向可再生能源制氢。

工业制氢技术主要包括以煤、天然气、石油等为原料催化重整制氢，氯碱、钢铁、焦化、生物质气化或垃圾填埋气等工业副产品制氢生物制氢，利用电网供电或未来直接利用可再生能源电解水制氢；处于实验室阶段但潜力巨大的有光催化分解水、高温热化学裂解水、微生物催化等先进制氢技术。

催化重整、工业副产品和生物质制氢是目前氢气的主要来源，但存在二氧化碳排放问题。通过电解可再生能源的水产生的氢气可以获得零排放的氢气。电解制氢可分为碱性电解（AEC）、固体聚合物电解（SPE）和固体氧化物电解（SOEC）。

作为一种来源广泛、清洁低碳、应用场景丰富的二次能源，氢能有利于推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展。近年来，氢能及氢燃料电池产业逐步成为全球能源技术革命和未来能源绿色转型发展的重要方向。

【拓展资料】

特点：

氢能是公认的清洁能源，作为低碳和零碳能源正在脱颖而出。21世纪，我国和美国、日本、加拿大、欧盟等都制定了氢能发展规划，并且我国已在氢能领域取得了多方面的进展，在不久的将来有望成为氢能技术和应用领先的国家之一，也被国际公认为最有可能率先实现氢燃料电池和氢能汽车产业化的国家。

当今世界开发新能源迫在眉睫，原因是所用的能源如石油、天然气、煤，石油气均属不可再生资源，地球上存量有限，而人类生存又时刻离不开能源，所以必须寻找新的能源。随着化石燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源、能源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样的二次能源。氢位于元素周期表之首，原子序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下为液态。作为一种理想的新的含能体能源，它具有以下特点：

1.重量最轻：标准状态下，密度为0.0899g/L，-252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。

3.导热性最好：比大多数气体的导热系数高出10倍。

4.储量丰富：据估计它构成了宇宙质量的75%，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。

5.回收利用：利用氢能源的汽车排出的废物只是水，所以可以再次分解氢，再次回收利用。

6.理想的发热值：除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。

7.燃烧性能好：点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。

8.环保：与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氨气经过适当处理也不会污染环境，氢取代化石燃料能最大限度地减弱温室效应。

9.利用形式多：既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。

10.多种形态：以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

11.耗损少：可以取消远距离高压输电，代以远近距离管道输氢，安全性相对提高，能源无效损耗减小。

12.利用率高：氢取消了内燃机噪声源和能源污染隐患，利用率高。

13.运输方便：氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源。