文|創(chuàng)瞰巴黎 Ana?s Marechal
編輯|Meister Xia
一覽：
- 藍(lán)綠氫以甲烷為原材料。甲烷輸送至無(wú)氧反應(yīng)器加熱到2000攝氏度的高溫，發(fā)生裂解，變成氫氣和炭黑，全程不產(chǎn)生二氧化碳。
- 相比之下，占全球氫產(chǎn)量95%的灰氫，其生產(chǎn)過(guò)程碳排放量為9.89 kg CO2e/kg，比藍(lán)綠氫高了將近十倍！
- 藍(lán)綠氫的碳排放與綠氫（0.03-0.37 kg CO2e/kg）相當(dāng)，但生產(chǎn)的耗電量比綠氫低三倍，未來(lái)隨著工藝的進(jìn)步，甚至能實(shí)現(xiàn)低七倍。
- 若完全以廚余垃圾產(chǎn)生的生物沼氣作為藍(lán)綠氫原料，碳足跡可以降至-5.22 kg CO2e/kg！若采用生物沼氣+石油甲烷作為原料，只要生物沼氣占比達(dá)到十分之一，生產(chǎn)過(guò)程就能實(shí)現(xiàn)零排放。
綠氫、灰氫、藍(lán)氫、粉氫…氫氣的顏色越來(lái)越多，每種顏色代表著一種不同的制備方式。如今，一種新顏色即將加入它們的行列——藍(lán)綠氫。藍(lán)綠氫產(chǎn)業(yè)在美國(guó)較為發(fā)達(dá)，其工藝以甲烷為原材料（類似蒸汽甲烷重整制灰氫），但區(qū)別在于甲烷是被輸送到無(wú)氧反應(yīng)器里，加熱到1000-2000攝氏度的高溫，發(fā)生裂解，變成氫氣和炭黑。這一反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生具有溫室效應(yīng)的二氧化碳，雖然要耗電，但耗電量比水解產(chǎn)綠氫低三倍，未來(lái)隨著工藝的進(jìn)步，甚至能實(shí)現(xiàn)低七倍 [1]。
藍(lán)綠氫有望成為能源轉(zhuǎn)型的終極武器嗎？為回答這一問(wèn)題，一個(gè)由多國(guó)專家組成的團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了全球首項(xiàng)藍(lán)綠氫生命周期評(píng)估。生命周期評(píng)估，一般用于計(jì)算產(chǎn)品從生產(chǎn)到報(bào)廢的總碳排放。本次評(píng)估以美國(guó)氫氣制造商Monolith Materials位于內(nèi)布拉斯加州的工廠為研究對(duì)象。該廠由風(fēng)力發(fā)電站供能，將電能轉(zhuǎn)化為電弧等離子體，加熱甲烷。評(píng)估結(jié)果于2022年7月發(fā)表于《國(guó)際氫能源期刊》（International Journal of Hydrogen Energy）[2]，本期我們邀請(qǐng)到了論文作者之一Laurent Fulcheri介紹藍(lán)綠氫的種種優(yōu)勢(shì)。
生命周期評(píng)估算出來(lái)的藍(lán)綠氫碳足跡有多大？
在研究開(kāi)始之前，人們就對(duì)藍(lán)綠氫的碳排放有著種種猜想，我們的項(xiàng)目第一次將其量化：生產(chǎn)1kg的藍(lán)綠氫，碳排放當(dāng)量為0.91kg。相比之下，占全球總氫產(chǎn)量96%的灰氫，碳排放當(dāng)量高達(dá)9.89 kg CO2e/kg，高出了十倍 [3]！我們的課題主要優(yōu)勢(shì)在于研究對(duì)象是全球首家工業(yè)化生產(chǎn)藍(lán)綠氫的產(chǎn)線，所以結(jié)果具有較高的實(shí)際代表性。
圖片來(lái)源：PI France
我們計(jì)算時(shí)，將全過(guò)程所有碳排放都包括在內(nèi)，不僅考慮了電能的碳排放，還包含了碳?xì)浠衔锱欧耪鬯愠傻奶寂欧?。事?shí)上，藍(lán)綠氫絕大部分的碳足跡來(lái)源于氣體開(kāi)采和輸送等供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中發(fā)生的泄漏。現(xiàn)在生產(chǎn)藍(lán)綠氫的排放基本上與綠氫（0.03-0.37 kg CO2e/kg）持平，而且用電量還更少。
本次參與生命周期評(píng)估的Monolith工廠以甲烷為原材料。甲烷能否從垃圾或污水廠收集呢？
美國(guó)頁(yè)巖氣資源豐富，所以生產(chǎn)藍(lán)綠氫的原料肯定會(huì)首選頁(yè)巖氣。但歐洲情況不同，尤其是考慮到俄烏沖突，未來(lái)估計(jì)會(huì)傾向以生物沼氣作為原料。
我們通過(guò)模型測(cè)算，發(fā)現(xiàn)了一種能讓藍(lán)綠氫比綠氫更環(huán)保的生產(chǎn)工藝——若完全以廚余垃圾產(chǎn)生的生物沼氣作為原材料，碳足跡可以降至-5.22 kg CO2e/kg！這是因?yàn)榧Z食耕種期間就能通過(guò)光合作用捕捉二氧化碳，所以全程算下來(lái)的碳排放為負(fù)值，為固碳過(guò)程。由于生物沼氣產(chǎn)能有限，可以考慮與來(lái)自石油的甲烷混合生產(chǎn)藍(lán)綠氫。只要生物沼氣占比達(dá)到十分之一，生產(chǎn)過(guò)程就能實(shí)現(xiàn)零排放。
為什么藍(lán)綠氫對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響如此低？
首先，制備藍(lán)綠氫的化學(xué)反應(yīng)本身就不產(chǎn)生二氧化碳，僅這一點(diǎn)就優(yōu)于蒸汽甲烷重整（灰氫）等其他工藝。此外，1kg的甲烷除了能生成250g的氫氣，還能生產(chǎn)750g的炭黑，后者可用于許多行業(yè)，降低它們的原料碳排放，從而使藍(lán)綠氫工藝更加綠色。
制備藍(lán)綠氫，還能減少炭黑行業(yè)的碳排放？
這是藍(lán)綠氫工藝的又一重大優(yōu)勢(shì)。每年，全世界要生產(chǎn)1500萬(wàn)噸的炭黑，碳排放量為2.6 kg CO2e/kg，然而，石油氣裂解制氫產(chǎn)生的副產(chǎn)物炭黑，其對(duì)應(yīng)的碳排放量只有0.9 kg CO2e/kg。
值得注意的是，將當(dāng)前生產(chǎn)灰氫的設(shè)備全套更換為甲烷裂解設(shè)備，需要的投資是天文數(shù)字級(jí)別的。Monolith工廠擴(kuò)建完成后，將有12條產(chǎn)線，整個(gè)工程要斥資10億歐元。因此，高附加值的炭黑在項(xiàng)目初期非常關(guān)鍵，有利于項(xiàng)目回本。
藍(lán)綠氫的經(jīng)濟(jì)可行性，有賴于副產(chǎn)物炭黑的價(jià)值？
副產(chǎn)物炭黑主要用于生產(chǎn)輪胎，也用于染料、油漆、電池等產(chǎn)品中，不僅有經(jīng)濟(jì)效益，還有戰(zhàn)略意義。歐洲的炭黑主要由烏克蘭和俄羅斯供應(yīng)，但俄烏沖突已導(dǎo)致炭黑短缺。
藍(lán)綠氫制備產(chǎn)炭黑，有沒(méi)有可能導(dǎo)致炭黑供過(guò)于求？
如果現(xiàn)在全球所有的氫氣都通過(guò)藍(lán)綠氫工藝生產(chǎn)，炭黑市場(chǎng)的確很快就會(huì)飽和，用不完的炭黑會(huì)堆積成山。所以，已經(jīng)有專家在研究第二代、第三代裂解工藝，試圖解決這一問(wèn)題。不過(guò)，炭黑還有很多有待開(kāi)發(fā)的新用途，例如生產(chǎn)建材、改善土壤質(zhì)量等。實(shí)在用不完，還可以考慮填埋，也不失為一種間接的碳貯存手段。不過(guò)，供過(guò)于求只有在藍(lán)綠氫達(dá)到超大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)才會(huì)發(fā)生。
在能源轉(zhuǎn)型中，藍(lán)綠氫可以發(fā)揮什么作用？
中長(zhǎng)期來(lái)看，如果藍(lán)綠氫能代替灰氫，能極大地減少用氫行業(yè)的碳排放（鋼材、農(nóng)業(yè)、煉油都需要?dú)錃庾鳛樵希．?dāng)前全球的氫產(chǎn)量每年為6000萬(wàn)噸，其中96%來(lái)自甲烷重整，排放的二氧化碳占全球總量的2%。所以，我們首先應(yīng)該著手降低制氫業(yè)的碳排放，再去考慮副產(chǎn)物炭黑的新用途！
藍(lán)綠氫對(duì)于氫產(chǎn)業(yè)的去碳化可做出重大貢獻(xiàn)。雖然水解制氫備受矚目，但耗能極高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)盈利。而藍(lán)綠氫工藝已經(jīng)成熟，商業(yè)模式可持續(xù)，可謂前景無(wú)量！
參考資料：
1. Han J, Mintz M, Wang M. Waste-to-wheel analysis of anaerobic-digestion-based renewable natural gas pathways with the GREET model (No. ANL/ESD/11–6). Argonne, IL (United States): Argonne National Lab (ANL); 2011.
2. Diab, J., et al. (2022), Why turquoise hydrogen will be a game changer for the energy transition, International journal of hydrogen energy, volume 47, issue 61, pages 25831–25848.
3. World Energy Council (2019), Innovation Insights Brief, New hydrogen economy – Hope or hype