摘要：氫氣是理想高效的清潔能源。以傳統能源制氫為主導制氫產業具有高能耗高污染的特征，在資源環保問題日益突出的當下，本文將對各類制氫技術的優劣特征進行對比，為制氫產業健康發展的路線提供參考。

　　氫氣在自然界中不以分子形式存在，獲取氫氣需要通過一定的技術手段從含有氫元素的水或碳水化合物中轉化得到。無論是傳統制氫技術還是新型制氫技術，氫氣的生產過程必然伴隨著一定的物耗和能耗。本文將圍繞能耗和溫室氣體釋放當量兩個特征指標，對各類制氫技術的主要特征進行對比。

　　煤氣化制氫與天然氣制氫能耗高 對環境不友好

　　煤氣化制氫指的是在一定溫度壓力條件下，水蒸氣與煤發生反應，生產含有CO的合成氣，再通過對CO進行處理，從而將合成氣全部轉化為氫氣。目前成熟的煤氣化制氫包括以下幾個流程：煤氣的獲取與運輸，氫氣的制備、收集與運輸。

　　現階段我國煤氣化制氫技術應用技術基礎良好，但污染嚴重等環保問題較為突出。安大略理工大學學者針對煤氣化制氫技術的溫室氣體釋放量進行了研究，發現284t氫氣/天溫室氣體釋放當量為11299.18CO2/kgH2;西安建筑科技大學學者就煤氣化制氫，對無煙煤進行了研究，得出無煙煤氣化制氫能耗為321.9MJ/kgH2。波蘭克拉科夫BURMISTRZ等學者對比了Texaco/GE和Shell公司兩種不同的煤氣化制氫工藝，兩家公司的不同點在于Texaco/GE采用水煤漿預處理技術，而Shell采用的是煤粉預處理技術，評價結果見表1。從研究結果發現，煤氣化制氫溫室氣體釋放當量和能耗分別為5000-11300CO2/kgH2與190-325MJ/kgH2。

　　表1 Texaco/GE和Shell煤氣化制氫的數據結果對比

(根據公開資料整理)

　　從整體上來說，煤氣化制氫能耗偏高，對環境不友好。煤氣化制氫想要順應可持續發展的戰略需求，則必須對系統運行、設備等方面進行升級改造，全方面提高技術水平。

　　表2 各類制氫技術的生命周期成本

　　與之相似的還有天然氣制氫技術，天然氣制氫的能耗與溫室氣體釋放當量分別為165-360MJ/kgH2和3900-12900CO2/kgH2，研究結果表明天然氣制氫技術的環保性能仍有待提升。造成能耗和溫室氣體的主要因素是制氫反應運行過程，因此要從改善反應條件、減少反應過程能耗損失等方面著手來提高系統的整體環保效應。

　　核能熱利用制氫先進環保 但前期建設所需能耗頗大

　　熱循環制氫指通過若干個化學反應，將水的分解分成幾個中間反應進行，從而制備氫氣，這一過程需要大量的熱能。通過核反應為其提供熱量，即核能熱利用制氫，是目前較為先進且環境友好程度較高的制氫技術。硫-碘循環制氫和銅-氯循環制氫是現階段較為典型的熱化學循環制氫方法，但由于核能-熱化學循環系統復雜程度較高，因此實際應用案例比較稀少。

　　安大略理工大學對核能熱化循環系統進行了專門的研究，結果表明這一技術的能耗與溫室氣體釋放量為373MJ/kgH2和860gCO2/kgH2;墨西哥國立自治大學對基于硫-碘循環的核能供熱制氫系統進行了研究，發現該系統的溫室氣體釋放當量為300gCO2/kgH2，溫室氣體釋放量占比最大的環節是核反應系統的建設運行過程，具體占比高達66.66%。

　　另外，安大略理工大學也對銅-氯循環的核能熱利用制氫進行了研究，其研究結果見表3。

　　表3 核能供熱Cu-CI循環制氫系統影響

　　(根據公開資料整理)

　　總體而言，核能利用制氫技術的能耗與溫室氣體釋放量為360-410MJ/kgH2和300-860gCO2/kgH2，核能系統的建設和運行對整個系統的環保效益起決定性作用，目前核能熱化學制氫技術能耗高的主要原因也是核能反應系統的建設投入較大。因此，要進一步推廣利用核能熱化學制氫技術，必須對核能系統的建設進行改進和完善。

　　生物質氣化制氫工藝復雜且氫氣提純難度高

　　通過制造氣化反應條件，將稻草、楊樹皮等農作棄物中的生物質能轉化為氫能的技術被稱為生物質氣化制氫。該技術能源來源廣泛，但其局限性也較為明顯，一方面對于原料的預處理工藝復雜程度頗高，另一方面，由于初產物含有較多雜質，氫氣提純的難度也頗高。

　　西班牙IMEDA能源研究所對生物質氣化制氫技術進行了相關研究，他們以楊樹作為能源作物，研究結果顯示整個過程的能耗和溫室氣體分別為19.52MJ/kgH2和405gCO2/kgH2;而西班牙HAJJAJI等學者以農作物秸稈等給累生物廢棄物為制氫原料，研究發現這一過程的整體能耗和溫室氣體釋放量分別為4.98MJ/kgH2和5590gCO2/kgH2。

　　由此可見，生物質氣化制氫法的能耗與溫室氣體釋放當量區間分別為4-20MJ/kgH2和400-5600gCO2/kgH2。整體而言，生物質氣化制氫對環境較為友好。

　　可再生能源制氫清潔環保 未來發展前景廣闊

　　基于電化學原料的電解水制氫是一種常見制氫技術，主要包括利用電網的電能制氫和可再生能源發電制氫兩種方式。前者不僅能耗高，且溫室氣體釋放當量也較大;后者則具有清潔環保的特征。目前可再生能源發電制氫技術已經可以達到實際推廣的要求，發展前景廣闊。

　　風電制氫是指電解水制氫與風力發電相合的制氫系統。美國國家可再生能源實驗室對于風電制氫技術進行了相關的研究，結果表明該系統的整體能耗與溫室氣體釋放當量分別為9.1MJ/kgH2和970gCO2/kgH2;占總能耗最高的環節是風機的制造過程，占比為72.6%。REITER等學者采用GABI5軟件對收集的數據分析發現，風電制強技術的能耗和溫室氣體釋放當量分別為12MJ/kgH2和600gCO2/kgH2。整體上來看，風電制氫系統的能耗和溫室氣體釋放當量為9-12MJ/kgH2和600-970gCO2/kgH2，符合節能環保的要求。要進一步提高該技術的整體效益，就必須要對風機建設的投入進行優化。

　　光伏發電制氫所需的電能由光伏板轉化的電能供給。安大略理工大學對光伏發電制氫系統進行了研究，結果顯示光伏大學的能耗與溫室氣體釋放當量分別為33.44MJ/kgH2和2412CO2/kgH2。REITER通過GABI5軟件分析得出，光伏發電制氫技術的能耗和溫室氣體釋放當量為77.864MJ/kgH2和6674gCO2/kgH2。由此我們可以得出，光伏發電制氫系統的能耗和溫室氣體釋放當量約為30-80MJ/kgH2和2400-6800gCO2/kgH2。

　　可再生能源發電制氫環境友好程度高，運行過程的排放較低，隨著運行時間的推移，節能環保的優勢也會更加明顯。

　　結語

　　總體而言，煤氣化制氫能耗高，但對環境不友好;天然氣制氫技術產氫率高，但環保性能有待提升;核能熱利用制氫先進環保，但前期建設需要投入較大;生物質氣化制氫工藝復雜且氫氣提純難度高;而可再生能源發電制氫環境友好程度高，運行過程的排放較低，隨著運行時間的推移，節能環保的優勢也會更加明顯，未來電解水等可再生能源制氫發展前景廣闊。