氫的利用，此前一直都以使用燃料電池發(fā)電的方法為中心。但最近，在城市燃?xì)庵谢旌蠚?，將其用作火力發(fā)電的燃料，或者把氫轉(zhuǎn)換成甲烷等化學(xué)燃料的動(dòng)向越來(lái)越活躍。具有代表性的項(xiàng)目就是德國(guó)推進(jìn)的“P2G（Power To Gas）”項(xiàng)目。城市燃?xì)庀嚓P(guān)的能源公司以及想以天然氣為燃料的汽車廠商都在進(jìn)行探討。
該項(xiàng)目的背景源于德國(guó)可再生能源導(dǎo)入量的擴(kuò)大。德國(guó)打算2022年之前全面廢除核電，擴(kuò)大可再生能源的比例。2012年，可再生能源在德國(guó)總發(fā)電量中所占的比例達(dá)到了22％，2020年計(jì)劃將其提高到35％，2030年進(jìn)一步提高到50％。
其中，風(fēng)力發(fā)電的導(dǎo)入量集中在風(fēng)力條件良好的德國(guó)北部地區(qū)，但電力需求集中在產(chǎn)業(yè)較多的南部，但連接德國(guó)南北地區(qū)的高壓輸電線容量不足，無(wú)法輸送，出現(xiàn)了不得不減少輸出的情況。
為此，德國(guó)E.ON和Greenpeace Energy等能源公司利用風(fēng)力發(fā)電的剩余電力電解水生成氫，然后提供給現(xiàn)有的燃?xì)夤艿谰W(wǎng)絡(luò)。在利用剩余電力的同時(shí)，通過(guò)在城市燃?xì)庵刑砑託?，預(yù)計(jì)可削減硫氧化物（SOX）和氮氧化物（NOX）等有害物質(zhì)的排放。
把利用風(fēng)力發(fā)電剩余電力生成的氫用于熱電聯(lián)產(chǎn)的項(xiàng)目也已經(jīng)啟動(dòng)。例如，位于德國(guó)勃蘭登堡州普倫茨勞的風(fēng)力發(fā)電公司Enertrag從2011年10月開(kāi)始把風(fēng)力發(fā)電的電力并入電網(wǎng)，而且還啟動(dòng)了氫生成設(shè)備。3臺(tái)2MW風(fēng)力發(fā)電設(shè)備（合計(jì)為6MW）發(fā)電的電力基本全部并入電網(wǎng)，在夜間等電力需求低，有剩余電力時(shí)，通過(guò)電解水制造氫儲(chǔ)藏起來(lái)。
比較有趣的是，把儲(chǔ)藏的氫與通過(guò)生物質(zhì)制造的甲烷等可燃性氣體（生物燃?xì)猓┗旌虾笥糜跓犭娐?lián)產(chǎn)單元這種做法。熱電聯(lián)產(chǎn)單元發(fā)電的電力并入電網(wǎng)，廢熱用于區(qū)域供暖。部分氫還提供給柏林市內(nèi)等的燃料電池車（FCV）和氫發(fā)動(dòng)機(jī)車的加氫站。
不把氫直接混合到城市燃?xì)庵?，而是利用氫制造甲烷的做法也越?lái)越活躍。其中利用了從氫和CO2中制造甲烷和多種碳化氫的反應(yīng)過(guò)程。其出發(fā)點(diǎn)是利用氫還原CO2制造CO和水的反應(yīng)，稱為“逆向轉(zhuǎn)移反應(yīng)”。
■逆向轉(zhuǎn)移反應(yīng)nH2＋nCO2 → nCO＋nH2O在CO中再次混合H2，通過(guò)甲烷化反應(yīng)大量合成甲烷。
■甲烷化反應(yīng)CO＋3H2 → CH4＋H2O
在德國(guó)，Solar Fuel公司建設(shè)了利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的剩余電力、水及大氣中的CO2，通過(guò)甲烷化反應(yīng)制造甲烷的工廠，已經(jīng)開(kāi)始推進(jìn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（圖5）。2009年運(yùn)行了利用可再生能源的25kW試制品，以40％的效率成功制造了甲烷。
圖5：利用可再生能源合成甲烷
Solar Fuel公司在利用可再生能源的電力、電解水生成的氫，以及空氣中的CO2制造甲烷的工廠中，推進(jìn)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
2013年把規(guī)模擴(kuò)大到了20MW，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)商用化。該公司打算將制造的甲烷直接供應(yīng)給天然氣管道網(wǎng)?？芍苯永贸鞘腥?xì)獾幕A(chǔ)設(shè)施，而且城市燃?xì)庥型麑?shí)現(xiàn)零碳化。
源自氫的甲烷提供給CNG車
打算把源自氫的甲烷用于壓縮天然氣（CNG）車，使CNG車實(shí)現(xiàn)零碳化的是德國(guó)奧迪（圖6）。該公司2013年6月啟動(dòng)了制造甲烷的工廠，利用以6MW的設(shè)備電解水生成的氫來(lái)制造，2013年秋已開(kāi)始全面投入使用。該公司把這種合成甲烷稱為“e-gas”。
奧迪開(kāi)始致力于零碳化舉措，利用源自可再生能源的氫生成甲烷，供CNG車使用，以實(shí)現(xiàn)零碳化（a）。2013年6月啟動(dòng)了每年可生產(chǎn)1000噸甲烷的工廠 （b）。
e-gas工廠建于拜恩州英戈?duì)柺┧兀瑩碛忻磕曛圃?000噸甲烷的生產(chǎn)能力。這是奧迪與德國(guó)ETOGAS公司和德國(guó)MT-BioMethan公司的共同業(yè)務(wù)，得到了裝置廠商Solar Fuel的協(xié)助。e-gas制造工廠毗鄰生物燃?xì)庵圃旃S，作為原料的CO2可以利用生物燃?xì)夤S的廢氣，而制造甲烷時(shí)的廢熱則可以用于生物燃?xì)夤S。
奧迪2013年3月上市了新款CNG車“A3 Sportback g-tron”，面向該車優(yōu)先銷售e-gas工廠制造的甲烷。另外，制造的甲烷還計(jì)劃供應(yīng)給公共燃?xì)夤艿谰W(wǎng)。
不僅是德國(guó)，美國(guó)也在美國(guó)能源部（Department of Energy）的主導(dǎo)下啟動(dòng)了利用源自可再生能源的氫制造化學(xué)燃料的項(xiàng)目“Eelectrofuels Program”。特點(diǎn)是，在組合氫與CO2的基礎(chǔ)上，還采用微生物制造液體化學(xué)燃料。沒(méi)有利用上述甲烷化反應(yīng)那樣的化學(xué)反應(yīng)，而是利用了通過(guò)微生物生成甲烷和丁醇等的過(guò)程。目前尚處于基礎(chǔ)階段，不過(guò)在CO2的固定化方面受到了關(guān)注。
還有望與CCS組合
如上所述，如果能用氫和CO2制造化學(xué)燃料和化學(xué)品，將來(lái)在化石燃料枯竭時(shí)，CO2可能會(huì)成為非常寶貴的碳源。
2020年以后，全球?qū)㈤_(kāi)始實(shí)施CCS（carbon dioxide capture and storage），回收CO2儲(chǔ)藏在地下和水中。而氫領(lǐng)域也將試著通過(guò)天然氣田和煤田對(duì)化石燃料進(jìn)行改質(zhì)和氣化以制造氫，并開(kāi)始大量運(yùn)輸和供給。因此，通過(guò)CCS儲(chǔ)藏的CO2與氫組合使用的方法有望形成一項(xiàng)業(yè)務(wù)。（記者：藤堂安人）
該項(xiàng)目的背景源于德國(guó)可再生能源導(dǎo)入量的擴(kuò)大。德國(guó)打算2022年之前全面廢除核電，擴(kuò)大可再生能源的比例。2012年，可再生能源在德國(guó)總發(fā)電量中所占的比例達(dá)到了22％，2020年計(jì)劃將其提高到35％，2030年進(jìn)一步提高到50％。
其中，風(fēng)力發(fā)電的導(dǎo)入量集中在風(fēng)力條件良好的德國(guó)北部地區(qū)，但電力需求集中在產(chǎn)業(yè)較多的南部，但連接德國(guó)南北地區(qū)的高壓輸電線容量不足，無(wú)法輸送，出現(xiàn)了不得不減少輸出的情況。
為此，德國(guó)E.ON和Greenpeace Energy等能源公司利用風(fēng)力發(fā)電的剩余電力電解水生成氫，然后提供給現(xiàn)有的燃?xì)夤艿谰W(wǎng)絡(luò)。在利用剩余電力的同時(shí)，通過(guò)在城市燃?xì)庵刑砑託?，預(yù)計(jì)可削減硫氧化物（SOX）和氮氧化物（NOX）等有害物質(zhì)的排放。
把利用風(fēng)力發(fā)電剩余電力生成的氫用于熱電聯(lián)產(chǎn)的項(xiàng)目也已經(jīng)啟動(dòng)。例如，位于德國(guó)勃蘭登堡州普倫茨勞的風(fēng)力發(fā)電公司Enertrag從2011年10月開(kāi)始把風(fēng)力發(fā)電的電力并入電網(wǎng)，而且還啟動(dòng)了氫生成設(shè)備。3臺(tái)2MW風(fēng)力發(fā)電設(shè)備（合計(jì)為6MW）發(fā)電的電力基本全部并入電網(wǎng)，在夜間等電力需求低，有剩余電力時(shí)，通過(guò)電解水制造氫儲(chǔ)藏起來(lái)。
比較有趣的是，把儲(chǔ)藏的氫與通過(guò)生物質(zhì)制造的甲烷等可燃性氣體（生物燃?xì)猓┗旌虾笥糜跓犭娐?lián)產(chǎn)單元這種做法。熱電聯(lián)產(chǎn)單元發(fā)電的電力并入電網(wǎng)，廢熱用于區(qū)域供暖。部分氫還提供給柏林市內(nèi)等的燃料電池車（FCV）和氫發(fā)動(dòng)機(jī)車的加氫站。
不把氫直接混合到城市燃?xì)庵?，而是利用氫制造甲烷的做法也越?lái)越活躍。其中利用了從氫和CO2中制造甲烷和多種碳化氫的反應(yīng)過(guò)程。其出發(fā)點(diǎn)是利用氫還原CO2制造CO和水的反應(yīng)，稱為“逆向轉(zhuǎn)移反應(yīng)”。
■逆向轉(zhuǎn)移反應(yīng)nH2＋nCO2 → nCO＋nH2O在CO中再次混合H2，通過(guò)甲烷化反應(yīng)大量合成甲烷。
■甲烷化反應(yīng)CO＋3H2 → CH4＋H2O
在德國(guó)，Solar Fuel公司建設(shè)了利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的剩余電力、水及大氣中的CO2，通過(guò)甲烷化反應(yīng)制造甲烷的工廠，已經(jīng)開(kāi)始推進(jìn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（圖5）。2009年運(yùn)行了利用可再生能源的25kW試制品，以40％的效率成功制造了甲烷。
Solar Fuel公司在利用可再生能源的電力、電解水生成的氫，以及空氣中的CO2制造甲烷的工廠中，推進(jìn)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
2013年把規(guī)模擴(kuò)大到了20MW，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)商用化。該公司打算將制造的甲烷直接供應(yīng)給天然氣管道網(wǎng)?？芍苯永贸鞘腥?xì)獾幕A(chǔ)設(shè)施，而且城市燃?xì)庥型麑?shí)現(xiàn)零碳化。
源自氫的甲烷提供給CNG車
打算把源自氫的甲烷用于壓縮天然氣（CNG）車，使CNG車實(shí)現(xiàn)零碳化的是德國(guó)奧迪（圖6）。該公司2013年6月啟動(dòng)了制造甲烷的工廠，利用以6MW的設(shè)備電解水生成的氫來(lái)制造，2013年秋已開(kāi)始全面投入使用。該公司把這種合成甲烷稱為“e-gas”。
圖6：CNG車將實(shí)現(xiàn)零碳
奧迪開(kāi)始致力于零碳化舉措，利用源自可再生能源的氫生成甲烷，供CNG車使用，以實(shí)現(xiàn)零碳化（a）。2013年6月啟動(dòng)了每年可生產(chǎn)1000噸甲烷的工廠 （b）。
e-gas工廠建于拜恩州英戈?duì)柺┧兀瑩碛忻磕曛圃?000噸甲烷的生產(chǎn)能力。這是奧迪與德國(guó)ETOGAS公司和德國(guó)MT-BioMethan公司的共同業(yè)務(wù)，得到了裝置廠商Solar Fuel的協(xié)助。e-gas制造工廠毗鄰生物燃?xì)庵圃旃S，作為原料的CO2可以利用生物燃?xì)夤S的廢氣，而制造甲烷時(shí)的廢熱則可以用于生物燃?xì)夤S。
奧迪2013年3月上市了新款CNG車“A3 Sportback g-tron”，面向該車優(yōu)先銷售e-gas工廠制造的甲烷。另外，制造的甲烷還計(jì)劃供應(yīng)給公共燃?xì)夤艿谰W(wǎng)。
不僅是德國(guó)，美國(guó)也在美國(guó)能源部（Department of Energy）的主導(dǎo)下啟動(dòng)了利用源自可再生能源的氫制造化學(xué)燃料的項(xiàng)目“Eelectrofuels Program”。特點(diǎn)是，在組合氫與CO2的基礎(chǔ)上，還采用微生物制造液體化學(xué)燃料。沒(méi)有利用上述甲烷化反應(yīng)那樣的化學(xué)反應(yīng)，而是利用了通過(guò)微生物生成甲烷和丁醇等的過(guò)程。目前尚處于基礎(chǔ)階段，不過(guò)在CO2的固定化方面受到了關(guān)注。
還有望與CCS組合
如上所述，如果能用氫和CO2制造化學(xué)燃料和化學(xué)品，將來(lái)在化石燃料枯竭時(shí)，CO2可能會(huì)成為非常寶貴的碳源。
2020年以后，全球?qū)㈤_(kāi)始實(shí)施CCS（carbon dioxide capture and storage），回收CO2儲(chǔ)藏在地下和水中。而氫領(lǐng)域也將試著通過(guò)天然氣田和煤田對(duì)化石燃料進(jìn)行改質(zhì)和氣化以制造氫，并開(kāi)始大量運(yùn)輸和供給。因此，通過(guò)CCS儲(chǔ)藏的CO2與氫組合使用的方法有望形成一項(xiàng)業(yè)務(wù)。（記者：藤堂安人）
