中科院实现400°C以下太阳能天然气制氢与脱碳

随着国家“双碳”战略的不断深化，氢能产业迎来迅猛发展。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至关重要。传统制氢技术，包括工业天然气重整制氢与煤气化制氢，是目前氢能的主要来源。在“双碳”战略与能源低碳转型背景下，其面临的共性挑战主要包括反应温度高、能耗高、CO₂排放高。如何突破“三高”问题，对于氢能与能源结构转型的相容发展具有重要意义。

中科院工程热物理研究所面向国家重大需求，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。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大幅降至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%。在此基础上，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。反应温度的大幅降低，也使工业余热与氢能的结合成为可能。迄今，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。

图1 温和条件下“净零排放”的天然气制氢原理

图2 天然气99%直接转化为高纯氢与高纯CO₂的6000次稳定循环实验

该研究工作由中科院工程热物理所金红光院士团队完成，获得国家自然科学基金委“能源有序转化”基础科学中心项目的支持。研究人员围绕科学中心项目 主线，原创提出了“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，历时6年，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能源化工领域顶级期刊Energy & Environmental Science上。

突破思路的主要提出者郝勇研究员认为，天然气与太阳能结合制备“净零排放”氢能，展示了低碳、可再生能源技术蓬勃发展的新形势下，符合我国能源结构特点的化石能源低碳利用新模式，对于低碳发电、工业余热利用以及太阳能、风能、生物质沼气等可再生能源的消纳具有重要意义。基于本成果，通过所得低碳氢与天然气掺烧，可有效提高火电厂发电效率并降低碳排放；以天然气为氢能载体实现加氢站内按需制氢，有望大幅降低基础设施投资及氢能制、储、运成本，并实现CO₂集中资源化利用。另外，本成果还可实现500℃以下工业余热的高价值、低碳利用。本研究成果有望助推能源结构的脱碳、可再生能源占比提升和可再生能源技术的加速发展，并将为解决氢能制、储、运全链条瓶颈问题提供新的思路。目前，研究团队正努力推动本研究成果的产业化，日产百公斤级氢气的原理样机正在研制中。

该研究工作由中科院工程热物理所金红光院士团队完成，获得国家自然科学基金委“能源有序转化”基础科学中心项目的支持，相关研究成果发表在能源化工领域顶级期刊Energy & Environmental Science上。

来源：中科院工程热物理研究所