蓝氢的温室气体排放量居然这么高我们离绿氢时代还有多远

纯氢在自然中并不独立存在，为了区分不同生产来源的清洁程度，人们按照碳强度由高到低标注出灰氢、蓝氢和绿氢。其中，绿氢主要是指利用太阳能、风能等可再生能源分解水产生的氢气。与当前主要使用的灰氢和蓝氢相比，这类氢气在生产过程中几乎不产生碳排放。主流观点是，在终极目标绿氢（太阳能、风能制取的氢能）实现之前，利用化石能源制造但配以碳捕获技术的“蓝氢”是产业发展必经的过渡阶段。不过早前，来自美国康奈尔和斯坦福大学的两位学者发表了有关氢能全生命周期“碳排放”的成果(Howgreenisbluehydrogen?EnergySciEng.2021)，文章发表后得到了百家国外媒体的关注，并在社交媒体被转发破千次，这源于该研究的主要发现：蓝氢的温室气体排放量比烧天然气或用煤取暖大20%以上，比燃烧柴油取暖大60%左右。新研究显示，颇受追捧的蓝氢并没有想象中清洁，蓝氢全生命周期温室气体排放强度比燃烧天然气取暖还要高20%。该论文是首篇经设有同行评议的期刊发布、关于蓝氢温室气体排放的研究。蓝氢更绿还是更灰？氢气被广泛认为是未来能源转型的重要燃料。研究人员在论文中表示，目前大多数氢气都是通过蒸汽甲烷重整(SMR)产生（也即灰氢），这种制氢方式碳排放高。越来越多人建议利用碳捕获和封存技术(CCS)减少灰氢的碳排放，蓝氢也因此在宣传中被打上了“低排放”的标签，被看作未来可以替代化石燃料的重要清洁能源。截至2021年，全球只有两家商业化的规模化生产蓝氢的设施，一家由壳牌在加拿大运营，另一家由空气产品公司在美国运营。通常情况，人们认为蓝氢为具有近零或低的温室气体排放量。然而，并非所有的二氧化碳排放都可以被捕获，并且在蓝氢的生产过程中会排放一些二氧化碳。生产蓝氢所需的天然气中存在相关的甲烷排放。甲烷是一种强大的温室气体，它作为变暖剂的作用比二氧化碳强100倍以上，并且在20年内所引起的变暖效应是二氧化碳的86倍。据估计，近几十年来发生的全球净变暖中约有25%是由甲烷引起的。在联合国环境规划署指出，到2030年，全球所有来源的甲烷排放量需要减少40%-45%，以实现将全球温度上升限制在1.5°C的最低成本途径。在大气中，甲烷的寿命（~12年）要比二氧化碳（＞50年）短，因此，甲烷含量的控制能在短期内见效，而二氧化碳的减排则需要长期才能显现。蓝氢的碳排放研究发现，蓝氢的主要温室气体包括二氧化碳和未燃烧的甲烷。即使假设捕获的二氧化碳可以永久储存，因存在大量逃逸性甲烷释放，蓝氢制取的温室气体排放量仍然很高。该研究称，假设天然气甲烷逃逸率为3.5%，可在大气中留存约20年，则蓝氢的总二氧化碳排放当量比灰氢少9%-12%。但由于碳捕获和封存需要使用天然气作为动力能源，蓝氢的逃逸性甲烷排放量高于灰氢；且蓝氢全生命周期温室气体排放比燃烧天然气或煤炭取暖的排放还高约20%。即使将天然气甲烷逃逸率降低到1.54%，蓝氢的温室气体排放仍高于单纯燃烧天然气，仅比灰氢少18%-25%。图1比较灰氢、蓝氢（SMR过程中捕获二氧化碳）、蓝氢（SMR过程+运行SMR设备产生废气均进行碳捕获），天然气燃烧产热，柴油燃烧产热，煤燃烧产热的二氧化碳当量（甲烷泄漏率设定为3.5%）图1的数据清晰的表明：1、与任何化石燃料相比，灰氢和蓝氢（无论是否对废气进行碳捕获处理）的二氧化碳和甲烷总排放量都更大；2、甲烷排放是造成这种情况的主要因素，灰氢和蓝氢的甲烷排放量比任何化石燃料都要多；3、与煤或柴油相比，灰氢或蓝氢的二氧化碳排放量更少；4、灰氢的二氧化碳排放量比天然气稍大。此外，研究还发现二氧化碳捕获属于能源密集型，捕获更多的二氧化碳需要更多的能量，如果这种能量来自天然气，那么二氧化碳和逸散性甲烷排放量的增加将抵消大量由于碳捕获而减少的二氧化碳排放。中科院实现蓝氢技术重大突破据中国科学院网站，制氢技术是氢能产业的源头，对氢能产业链的整体布局与发展颇为重要。中国科学院工程热物理研究所近日首次实现了400°C温和条件下“净零排放”的天然气制氢原理突破。据介绍，通过有序分离氢气和CO2产物，天然气制氢反应温度由传统的800-1000°C降至400°C以下，实现了99%以上甲烷直接转化为高纯氢与高纯CO2，并实现了基于化石能源的制氢与脱碳的完全协同。制氢与脱碳能耗下降幅度达20-40%。基于此，该工作结合商业化中温槽式聚光技术，实现了太阳能驱动的天然气制氢与脱碳，进一步减少化石能源制氢的碳足迹，展示了化石能源与可再生能源互补实现可持续氢能利用的可行性。反应温度的降低使工业余热与氢能的结合成为可能。迄今为止，研究人员已完成了超过6000次的稳定循环实验，验证了该方法的可靠性，并初步展示了技术转化应用的广阔前景。温和条件下“净零排放”的天然气制氢原理

从中国科学院网站得知，该工作由中科院院士、工程热物理所研究员金红光团队完成，获得国家自然科学基金“能源有序转化”基础科学中心项目的支持。科研人员围绕科学中心项目主线，原创性地提出了“热化学多产物有序分离耦合中低温热能品位提升”的热力学新思路，在降低反应温度、提高甲烷转化率与选择性、低能耗捕集二氧化碳、设备小型化等方面实现了系列重要突破。相关研究成果发表在Energy&EnvironmentalScience上。中国科学院工程热物理所研究员郝勇表示，团队正努力推动本成果的产业化，日产百公斤级氢气的原理样机正在研制中。氢能的未来据彭博新能源(BloombergNEF)估计，到2030年，全球各地绿氢制取成本可能都将低于蓝氢。而蓝氢所依赖的CCS技术，多年来推广困难、成本居高不下。国际能源署数据显示，相关投资仅占全球清洁技术投资的不到0.5%，全球目前有21个CCUS（碳捕捉、利用和封存）项目，每年二氧化碳捕获能力为4000万吨。前述研究的共同作者、康奈尔大学生态学和环境生物学教授称，世界各地的政治家都把赌注押在蓝氢上，将其视为能源转型的解决方案。“我们的研究是首个在有同行评议的期刊发表的、阐述蓝氢生命周期排放强度的研究，也是在向政府发出警示，应将公共资金投入到风能和太阳能驱动的绿氢，这是唯一清洁的氢能，也是通向净零排放的重要路径。”目前全球有超过40个国家颁布了氢能发展战略，其中许多都在提倡“清洁氢气”。近期，美国将”清洁氢气”定义为以任何方式制取、生产1公斤氢排放2公斤或更少二氧化碳当量的氢，也就包括了蓝氢。日本早前计划把2020年东京奥运会打造成”氢能奥运会”，承诺了包括奥运村动力、100辆氢动力燃料电池巴士、500辆氢能汽车、奥运圣火台及火炬燃料等应用场景，但最终仅兑现了一小部分。英国预计将在几周后推出一项氢能战略，其中可能包括对蓝氢的支持。更早之前，德国在其2020年6月通过的《国家氢能战略》中称，“绿氢”将是未来投资的优先领域，但利用化石燃料制造但结合碳捕捉技术的“蓝氢”将在转型期内被允许。同年7月，欧盟的氢能战略在中短期内为“蓝氢”保留了发展空间，因此引发了一定的争议。而在今年，2022年3月23日，国家发展改革委发布《氢能产业发展中长期规划（2021～2035年）》，以安全、经济、低碳、多元化应用为核心的氢能产业发展路径逐渐清晰。随后，各地陆续出台相关政策落实氢能的发展路线，布局太阳能等可再生能源制氢示范项目建设。而在企业方面，中国石化、协鑫集团、天合光能、隆基集团、中环股份等企业正在布局绿氢生产。其中，中国石化已经锚定建设“中国第一大氢能公司”的目标，并加快推动氢源由灰氢向蓝氢、绿氢转变。这也意味着，绿氢已经成为传统能