中科院實現400°C以下太陽能天然氣制氫與脫碳

隨著國家“雙碳”戰略的不斷深化，氫能產業迎來迅猛發展。制氫技術是氫能產業的源頭，對氫能產業鏈的整體布局與發展至關重要。傳統制氫技術，包括工業天然氣重整制氫與煤氣化制氫，是目前氫能的主要來源。在“雙碳”戰略與能源低碳轉型背景下，其面臨的共性挑戰主要包括反應溫度高、能耗高、CO₂排放高。如何突破“三高”問題，對于氫能與能源結構轉型的相容發展具有重要意義。

中科院工程熱物理研究所面向國家重大需求，首次實現了400°C溫和條件下“凈零排放”的天然氣制氫原理突破。通過有序分離氫氣和CO₂產物，天然氣制氫反應溫度由傳統的800-1000°C大幅降至400°C以下，實現了99%以上甲烷直接轉化為高純氫與高純CO₂，并實現了基于化石能源的制氫與脫碳的完全協同。制氫與脫碳能耗下降幅度達20-40%。在此基礎上，結合商業化中溫槽式聚光技術，實現了太陽能驅動的天然氣制氫與脫碳，進一步減少化石能源制氫的碳足跡，展示了化石能源與可再生能源互補實現可持續氫能利用的可行性。反應溫度的大幅降低，也使工業余熱與氫能的結合成為可能。迄今，研究人員已完成了超過6000次的穩定循環實驗，驗證了該方法的可靠性，并初步展示了技術轉化應用的廣闊前景。

圖1 溫和條件下“凈零排放”的天然氣制氫原理

圖2 天然氣99%直接轉化為高純氫與高純CO₂的6000次穩定循環實驗

該研究工作由中科院工程熱物理所金紅光院士團隊完成，獲得國家自然科學基金委“能源有序轉化”基礎科學中心項目的支持。研究人員圍繞科學中心項目 主線，原創提出了“熱化學多產物有序分離耦合中低溫熱能品位提升”的熱力學新思路，歷時6年，在降低反應溫度、提高甲烷轉化率與選擇性、低能耗捕集二氧化碳、設備小型化等方面實現了系列重要突破。相關研究成果發表在能源化工領域頂級期刊Energy?&?Environmental?Science上。

突破思路的主要提出者郝勇研究員認為，天然氣與太陽能結合制備“凈零排放”氫能，展示了低碳、可再生能源技術蓬勃發展的新形勢下，符合我國能源結構特點的化石能源低碳利用新模式，對于低碳發電、工業余熱利用以及太陽能、風能、生物質沼氣等可再生能源的消納具有重要意義。基于本成果，通過所得低碳氫與天然氣摻燒，可有效提高火電廠發電效率并降低碳排放；以天然氣為氫能載體實現加氫站內按需制氫，有望大幅降低基礎設施投資及氫能制、儲、運成本，并實現CO₂集中資源化利用。另外，本成果還可實現500℃以下工業余熱的高價值、低碳利用。本研究成果有望助推能源結構的脫碳、可再生能源占比提升和可再生能源技術的加速發展，并將為解決氫能制、儲、運全鏈條瓶頸問題提供新的思路。目前，研究團隊正努力推動本研究成果的產業化，日產百公斤級氫氣的原理樣機正在研制中。

該研究工作由中科院工程熱物理所金紅光院士團隊完成，獲得國家自然科學基金委“能源有序轉化”基礎科學中心項目的支持，相關研究成果發表在能源化工領域頂級期刊Energy?&?Environmental?Science上。

來源：中科院工程熱物理研究所