科技博闻 ｜ 氢，真的绿色吗？

这是从天然气、煤炭和褐煤等“化石燃料”中提取氢气的最流行的方法。甲烷是首选原料，因为它来源广泛，而且就污染性副产品而言是最清洁的。本质上，蒸汽重整是一个两阶段过程，涉及两个催化化学反应，加上第三阶段以物理方式分离产生的H ₂ 和CO ₂ 气体。

首先，过热（700–1100°C）蒸汽和甲烷通过镍或铂催化剂，发生以下反应：

CH ₄ + H ₂ O → CO + 3H ₂

然后气体在低得多的温度（约360°C）下通过氧化铁催化剂：

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂

第二阶段称为水煤气变换反应（WGSR），释放更多的氢气，并将一氧化碳转化为不太讨厌的二氧化碳。

最后，称为变压吸附(PSA)的过程将H ₂ 气体与CO ₂ 气体分离。

多年来，PSA工艺已在工业规模上用于分离混合在一起的气体。它的工作原理是“吸附”，高压下的气体分子会“粘附”在固体吸附材料的表面。当压力释放时，气体将从表面“脱离”。

在确定人造二氧化碳正在导致严重的气候变化之前，蒸汽重整被视为唯一具有成本效益且获得“纯”氢气的环保方式。这并不理想，因为一些污染物（例如硫化合物）仍然存在，可能会“毒害”氢燃料电池的催化剂。用于此类应用的气体在蒸汽重整之前需要经过“脱硫”过程。

通过甲烷的蒸汽重整产生的H ₂ （其中CO ₂ 没有被捕获和储存）被称为灰氢。来自煤和褐煤的气体也可以分别通过蒸汽重整成黑氢和棕氢。

由于CO ₂ 副产品问题，目前生产的大多数H ₂ 都是“灰色”的，而不是“绿色的”。这是一个大问题。英国政府将H ₂ 视为未来的燃料，至少在短期内取代天然气用于家庭供暖。为此目的使用灰氢是完全没有意义的，因为分离CO ₂ 并将其排放到大气中、然后燃烧H ₂ 显然没有环境价值或经济节省。唯一有效的方法是利用碳捕获和储存（CCS），将灰氢变成蓝氢。

CCS听起来很简单：从某些工业过程（例如发电）中获取“废物”CO ₂ ，以某种方式对其进行处理，将其转变成适合永久储存的形式，然后将其储存起来。早在2017年，英国政府就看到了英国成为该技术“世界领导者”的机会。尽管政府在2015年取消了对CCS项目的资助，但他们当年发布的《清洁增长战略》文件中明确了这一点。然而，2017年的文件确实明确表明，人们对CCS的经济可行性表示怀疑。此后，政府继续坚持认为CCS对于英国实现其净零碳承诺至关重要。就在2023年，英国政府发布了一份新报告：《碳捕获、利用和封存》（Carbon Capture, Usage and Storage即CCUS），重申其对碳捕获原则的承诺。人们寄希望于私营部门为英国“脱碳”的大规模投资计划提供资金。

政府面临着越来越大的压力，需要重新优先考虑CCUS投资，而不是清理化石燃料发电厂，并将有限的资源集中在从没有“绿色”替代方案的过程中捕获碳，例如制造水泥。气候科学家们还给首相写了一封公开信，批评开放新的天然气/油田的计划，这些油田依赖CCUS来提供零碳产品。尽管政府大肆宣扬CCUS对实现净零碳目标有多么“重要”，但政治家们可能会意识到：

• 该技术还处于起步阶段，世界上任何地方都没有运行的气候规模工厂。讽刺的是，大多数现有的大型装置都是为了提供CO ₂ 来提高石油采收率（EOR）。

• CCUS将受到可用存储容量的限制。并非每个国家都有方便的空油气藏供应。

• 无论采用何种技术，碳捕获操作的货币成本对于任何国家来说都可能是令人望而却步的。

气候科学家现在普遍反对CCUS，因为他们认为这是各国坚持化石燃料发电而不是投资“可再生能源”的一种方式。政府也会因为可能的成本而反对它。

将天然气蒸汽重整为灰氢或蓝氢，您可以用它做三件事：

• 在改装的天然气锅炉中燃烧，以释放储存的能量作为热量，或

• 将储存的能量转换为燃料电池中的电力。

• 保存起来以备将来使用。

出于上述原因，只有当蓝氢可用时，第一种选择才是明智的。考虑到CCUS可能存在的技术困难和巨大的成本，依赖蓝氢也不是一个好主意。还存在当H ₂ 在空气中燃烧时产生污染气体的问题——又是一个反常识的观点。这在实验室的纯氧气环境中是正确的，而真实的大气是由78%的氮气和仅21%的氧气组成的空气。反应会产生一些氮氧化物（NO _x ），虽然数量很少，但毒性很大。同时由于天然气的体积能量密度是H ₂ 的约五倍，在保持热输出的同时将锅炉转换为使用H ₂ 将涉及增加气体压力和/或使用更高容量的供应管道。气压升高可能会导致泄漏，从而产生不幸的后果（请参阅下面的泄漏）。

第二个选项是可行的方法。燃料电池技术已经很成熟，例如作为载人航天器等运载工具的便携式电源。

第三种选择是将H ₂ 储存在储罐中以供以后使用。从表面上看，这让我们回到了储存捕获的CO ₂ 的困难，但有一个关键的区别：CO ₂ 储存必须是永久性的，而H ₂ 仅需要临时容纳。

通过蒸汽重整天然气大规模生产“清洁”H ₂ 仍然给我们带来了防止不需要的CO ₂ 进入大气的可能棘手的问题。还有另一种方法，涉及直接通过电解将氢气与水中的氧分离：如果电解质是纯水，则唯一的副产品是氧气（O ₂ ），可以安全地将其排放到大气中。

一个缺点是需要大量的电力，而且必须来自可再生能源。另一个是使用纯水会导致反应缓慢。实际使用中的电解槽里添加了氯化钠 (NaCl) 等化合物来提高性能，这样产生的就不只是无害的氧气，还有氯(Cl ₂ )和氢氧化钠(NaOH)。还好这两种副产物可以用于许多工业过程，并且已经使用经过试验和测试的电解技术进行批量生产。

用相对较低的成本储存大量的天然气已经成为可能。有一个不可避免的警告：虽然H ₂ 本身并不是“温室气体”，但当它进入高层大气时，它会干扰化学反应，而化学反应通常会导致甲烷（相比之下，甲烷是一种非常有害的气体）迅速分解。换句话说，大气中H ₂ 的存在延长了有害温室气体的寿命。没有人真正确定这是否会对未来的全球变暖产生严重影响。H ₂ 能够通过常规密封装置，因为它的分子比天然气小得多。由于这个原因，美国宇航局最近在阿尔忒弥斯1号月球任务发射之前因燃料泄漏而遇到了很多麻烦。试想一下，试图密封一个巨大的地下岩石洞穴中的所有孔洞和裂缝是多么困难的事。