文|创瞰巴黎 Anaïs Marechal
编辑|Meister Xia
一览：
- 蓝绿氢以甲烷为原材料。甲烷输送至无氧反应器加热到2000摄氏度的高温，发生裂解，变成氢气和炭黑，全程不产生二氧化碳。
- 相比之下，占全球氢产量95%的灰氢，其生产过程碳排放量为9.89 kg CO2e/kg，比蓝绿氢高了将近十倍！
- 蓝绿氢的碳排放与绿氢（0.03-0.37 kg CO2e/kg）相当，但生产的耗电量比绿氢低三倍，未来随着工艺的进步，甚至能实现低七倍。
- 若完全以厨余垃圾产生的生物沼气作为蓝绿氢原料，碳足迹可以降至-5.22 kg CO2e/kg！若采用生物沼气+石油甲烷作为原料，只要生物沼气占比达到十分之一，生产过程就能实现零排放。
绿氢、灰氢、蓝氢、粉氢…氢气的颜色越来越多，每种颜色代表着一种不同的制备方式。如今，一种新颜色即将加入它们的行列——蓝绿氢。蓝绿氢产业在美国较为发达，其工艺以甲烷为原材料（类似蒸汽甲烷重整制灰氢），但区别在于甲烷是被输送到无氧反应器里，加热到1000-2000摄氏度的高温，发生裂解，变成氢气和炭黑。这一反应的优点是不产生具有温室效应的二氧化碳，虽然要耗电，但耗电量比水解产绿氢低三倍，未来随着工艺的进步，甚至能实现低七倍 [1]。
蓝绿氢有望成为能源转型的终极武器吗？为回答这一问题，一个由多国专家组成的团队开展了全球首项蓝绿氢生命周期评估。生命周期评估，一般用于计算产品从生产到报废的总碳排放。本次评估以美国氢气制造商Monolith Materials位于内布拉斯加州的工厂为研究对象。该厂由风力发电站供能，将电能转化为电弧等离子体，加热甲烷。评估结果于2022年7月发表于《国际氢能源期刊》（International Journal of Hydrogen Energy）[2]，本期我们邀请到了论文作者之一Laurent Fulcheri介绍蓝绿氢的种种优势。
生命周期评估算出来的蓝绿氢碳足迹有多大？
在研究开始之前，人们就对蓝绿氢的碳排放有着种种猜想，我们的项目第一次将其量化：生产1kg的蓝绿氢，碳排放当量为0.91kg。相比之下，占全球总氢产量96%的灰氢，碳排放当量高达9.89 kg CO2e/kg，高出了十倍 [3]！我们的课题主要优势在于研究对象是全球首家工业化生产蓝绿氢的产线，所以结果具有较高的实际代表性。
图片来源：PI France
我们计算时，将全过程所有碳排放都包括在内，不仅考虑了电能的碳排放，还包含了碳氢化合物排放折算成的碳排放。事实上，蓝绿氢绝大部分的碳足迹来源于气体开采和输送等供应链环节中发生的泄漏。现在生产蓝绿氢的排放基本上与绿氢（0.03-0.37 kg CO2e/kg）持平，而且用电量还更少。
本次参与生命周期评估的Monolith工厂以甲烷为原材料。甲烷能否从垃圾或污水厂收集呢？
美国页岩气资源丰富，所以生产蓝绿氢的原料肯定会首选页岩气。但欧洲情况不同，尤其是考虑到俄乌冲突，未来估计会倾向以生物沼气作为原料。
我们通过模型测算，发现了一种能让蓝绿氢比绿氢更环保的生产工艺——若完全以厨余垃圾产生的生物沼气作为原材料，碳足迹可以降至-5.22 kg CO2e/kg！这是因为粮食耕种期间就能通过光合作用捕捉二氧化碳，所以全程算下来的碳排放为负值，为固碳过程。由于生物沼气产能有限，可以考虑与来自石油的甲烷混合生产蓝绿氢。只要生物沼气占比达到十分之一，生产过程就能实现零排放。
为什么蓝绿氢对环境的负面影响如此低？
首先，制备蓝绿氢的化学反应本身就不产生二氧化碳，仅这一点就优于蒸汽甲烷重整（灰氢）等其他工艺。此外，1kg的甲烷除了能生成250g的氢气，还能生产750g的炭黑，后者可用于许多行业，降低它们的原料碳排放，从而使蓝绿氢工艺更加绿色。
制备蓝绿氢，还能减少炭黑行业的碳排放？
这是蓝绿氢工艺的又一重大优势。每年，全世界要生产1500万吨的炭黑，碳排放量为2.6 kg CO2e/kg，然而，石油气裂解制氢产生的副产物炭黑，其对应的碳排放量只有0.9 kg CO2e/kg。
值得注意的是，将当前生产灰氢的设备全套更换为甲烷裂解设备，需要的投资是天文数字级别的。Monolith工厂扩建完成后，将有12条产线，整个工程要斥资10亿欧元。因此，高附加值的炭黑在项目初期非常关键，有利于项目回本。
蓝绿氢的经济可行性，有赖于副产物炭黑的价值？
副产物炭黑主要用于生产轮胎，也用于染料、油漆、电池等产品中，不仅有经济效益，还有战略意义。欧洲的炭黑主要由乌克兰和俄罗斯供应，但俄乌冲突已导致炭黑短缺。
蓝绿氢制备产炭黑，有没有可能导致炭黑供过于求？
如果现在全球所有的氢气都通过蓝绿氢工艺生产，炭黑市场的确很快就会饱和，用不完的炭黑会堆积成山。所以，已经有专家在研究第二代、第三代裂解工艺，试图解决这一问题。不过，炭黑还有很多有待开发的新用途，例如生产建材、改善土壤质量等。实在用不完，还可以考虑填埋，也不失为一种间接的碳贮存手段。不过，供过于求只有在蓝绿氢达到超大规模量产时才会发生。
在能源转型中，蓝绿氢可以发挥什么作用？
中长期来看，如果蓝绿氢能代替灰氢，能极大地减少用氢行业的碳排放（钢材、农业、炼油都需要氢气作为原料）。当前全球的氢产量每年为6000万吨，其中96%来自甲烷重整，排放的二氧化碳占全球总量的2%。所以，我们首先应该着手降低制氢业的碳排放，再去考虑副产物炭黑的新用途！
蓝绿氢对于氢产业的去碳化可做出重大贡献。虽然水解制氢备受瞩目，但耗能极高，无法实现盈利。而蓝绿氢工艺已经成熟，商业模式可持续，可谓前景无量！
参考资料：
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
