科研人员实现400C以下太阳能天然气制氢与脱碳

　　随着双碳战略的深化，氢能产业迅猛发展。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颇为重要。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，而在双碳战略与能源低碳转型的背景下，面临的共性挑战包括反应温度高、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。
　　中国科学院工程热物理研究所首次实现了400C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8001000C降至400C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2040。基于此，该工作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。反应温度的降低使工业余热与氢能的结合成为可能。迄今为止，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。
　　该工作由中科院院士、工程热物理所研究员金红光团队完成，获得国家自然科学基金能源有序转化基础科学中心项目的支持。科研人员围绕科学中心项目主线，原创性地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，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EnergyEnvironmentalScience上。
　　工程热物理所研究员郝勇表示，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。基于这一成果，研究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，本成果可实现500以下工业余热的高价值、低碳利用。本研究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、运全链条瓶颈提供新思路。当前，该团队正努力推动本成果的产业化，日产百公斤级氢气的原理样机正在研制中。
　　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
　　来源：中国科学院工程热物理研究所
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