浅析各类制氢技术能耗与温室气体释放当量

       摘要：氢气是理想高效的清洁能源。以传统能源制氢为主导制氢产业具有高能耗高污染的特征，在资源环保问题日益突出的当下，本文将对各类制氢技术的优劣特征进行对比，为制氢产业健康发展的路线提供参考。

　　氢气在自然界中不以分子形式存在，获取氢气需要通过一定的技术手段从含有氢元素的水或碳水化合物中转化得到。无论是传统制氢技术还是新型制氢技术，氢气的生产过程必然伴随着一定的物耗和能耗。本文将围绕能耗和温室气体释放当量两个特征指标，对各类制氢技术的主要特征进行对比。

　　煤气化制氢与天然气制氢能耗高 对环境不友好

　　煤气化制氢指的是在一定温度压力条件下，水蒸气与煤发生反应，生产含有CO的合成气，再通过对CO进行处理，从而将合成气全部转化为氢气。目前成熟的煤气化制氢包括以下几个流程：煤气的获取与运输，氢气的制备、收集与运输。

　　现阶段我国煤气化制氢技术应用技术基础良好，但污染严重等环保问题较为突出。安大略理工大学学者针对煤气化制氢技术的温室气体释放量进行了研究，发现284t氢气/天温室气体释放当量为11299.18CO2/kgH2;西安建筑科技大学学者就煤气化制氢，对无烟煤进行了研究，得出无烟煤气化制氢能耗为321.9MJ/kgH2。波兰克拉科夫BURMISTRZ等学者对比了Texaco/GE和Shell公司两种不同的煤气化制氢工艺，两家公司的不同点在于Texaco/GE采用水煤浆预处理技术，而Shell采用的是煤粉预处理技术，评价结果见表1。从研究结果发现，煤气化制氢温室气体释放当量和能耗分别为5000-11300CO2/kgH2与190-325MJ/kgH2。

　　表1 Texaco/GE和Shell煤气化制氢的数据结果对比

(根据公开资料整理)

　　从整体上来说，煤气化制氢能耗偏高，对环境不友好。煤气化制氢想要顺应可持续发展的战略需求，则必须对系统运行、设备等方面进行升级改造，全方面提高技术水平。

　　表2 各类制氢技术的生命周期成本

　　与之相似的还有天然气制氢技术，天然气制氢的能耗与温室气体释放当量分别为165-360MJ/kgH2和3900-12900CO2/kgH2，研究结果表明天然气制氢技术的环保性能仍有待提升。造成能耗和温室气体的主要因素是制氢反应运行过程，因此要从改善反应条件、减少反应过程能耗损失等方面着手来提高系统的整体环保效应。

　　核能热利用制氢先进环保 但前期建设所需能耗颇大

　　热循环制氢指通过若干个化学反应，将水的分解分成几个中间反应进行，从而制备氢气，这一过程需要大量的热能。通过核反应为其提供热量，即核能热利用制氢，是目前较为先进且环境友好程度较高的制氢技术。硫-碘循环制氢和铜-氯循环制氢是现阶段较为典型的热化学循环制氢方法，但由于核能-热化学循环系统复杂程度较高，因此实际应用案例比较稀少。

　　安大略理工大学对核能热化循环系统进行了专门的研究，结果表明这一技术的能耗与温室气体释放量为373MJ/kgH2和860gCO2/kgH2;墨西哥国立自治大学对基于硫-碘循环的核能供热制氢系统进行了研究，发现该系统的温室气体释放当量为300gCO2/kgH2，温室气体释放量占比最大的环节是核反应系统的建设运行过程，具体占比高达66.66%。

　　另外，安大略理工大学也对铜-氯循环的核能热利用制氢进行了研究，其研究结果见表3。

　　表3 核能供热Cu-CI循环制氢系统影响

　　(根据公开资料整理)

　　总体而言，核能利用制氢技术的能耗与温室气体释放量为360-410MJ/kgH2和300-860gCO2/kgH2，核能系统的建设和运行对整个系统的环保效益起决定性作用，目前核能热化学制氢技术能耗高的主要原因也是核能反应系统的建设投入较大。因此，要进一步推广利用核能热化学制氢技术，必须对核能系统的建设进行改进和完善。

　　生物质气化制氢工艺复杂且氢气提纯难度高

　　通过制造气化反应条件，将稻草、杨树皮等农作弃物中的生物质能转化为氢能的技术被称为生物质气化制氢。该技术能源来源广泛，但其局限性也较为明显，一方面对于原料的预处理工艺复杂程度颇高，另一方面，由于初产物含有较多杂质，氢气提纯的难度也颇高。

　　西班牙IMEDA能源研究所对生物质气化制氢技术进行了相关研究，他们以杨树作为能源作物，研究结果显示整个过程的能耗和温室气体分别为19.52MJ/kgH2和405gCO2/kgH2;而西班牙HAJJAJI等学者以农作物秸秆等给累生物废弃物为制氢原料，研究发现这一过程的整体能耗和温室气体释放量分别为4.98MJ/kgH2和5590gCO2/kgH2。

　　由此可见，生物质气化制氢法的能耗与温室气体释放当量区间分别为4-20MJ/kgH2和400-5600gCO2/kgH2。整体而言，生物质气化制氢对环境较为友好。

　　可再生能源制氢清洁环保 未来发展前景广阔

　　基于电化学原料的电解水制氢是一种常见制氢技术，主要包括利用电网的电能制氢和可再生能源发电制氢两种方式。前者不仅能耗高，且温室气体释放当量也较大;后者则具有清洁环保的特征。目前可再生能源发电制氢技术已经可以达到实际推广的要求，发展前景广阔。

　　风电制氢是指电解水制氢与风力发电相合的制氢系统。美国国家可再生能源实验室对于风电制氢技术进行了相关的研究，结果表明该系统的整体能耗与温室气体释放当量分别为9.1MJ/kgH2和970gCO2/kgH2;占总能耗最高的环节是风机的制造过程，占比为72.6%。REITER等学者采用GABI5软件对收集的数据分析发现，风电制强技术的能耗和温室气体释放当量分别为12MJ/kgH2和600gCO2/kgH2。整体上来看，风电制氢系统的能耗和温室气体释放当量为9-12MJ/kgH2和600-970gCO2/kgH2，符合节能环保的要求。要进一步提高该技术的整体效益，就必须要对风机建设的投入进行优化。

　　光伏发电制氢所需的电能由光伏板转化的电能供给。安大略理工大学对光伏发电制氢系统进行了研究，结果显示光伏大学的能耗与温室气体释放当量分别为33.44MJ/kgH2和2412CO2/kgH2。REITER通过GABI5软件分析得出，光伏发电制氢技术的能耗和温室气体释放当量为77.864MJ/kgH2和6674gCO2/kgH2。由此我们可以得出，光伏发电制氢系统的能耗和温室气体释放当量约为30-80MJ/kgH2和2400-6800gCO2/kgH2。

　　可再生能源发电制氢环境友好程度高，运行过程的排放较低，随着运行时间的推移，节能环保的优势也会更加明显。

　　结语

　　总体而言，煤气化制氢能耗高，但对环境不友好;天然气制氢技术产氢率高，但环保性能有待提升;核能热利用制氢先进环保，但前期建设需要投入较大;生物质气化制氢工艺复杂且氢气提纯难度高;而可再生能源发电制氢环境友好程度高，运行过程的排放较低，随着运行时间的推移，节能环保的优势也会更加明显，未来电解水等可再生能源制氢发展前景广阔。