绿氢之外的其他颜色的氢气

氢能是仍处于研究阶段，尚有很大利用空间的能源，在交通运输领域和电力行业有巨大的应用潜能。氢气燃烧不会产生温室气体（GHG）排放，其生命周期内的环境影响是氢气制取和使用前不同过程共同作用的结果，能源载体不同，差异巨大。

用不同颜色区分不同制氢方法生产得到的氢气产品，标识其对可持续净零排放的影响。绿氢是净零排放的全球标准，但其可扩展性受基础设施缺乏和制氢效率低下的限制，推广应用面临挑战。核能水电解制取粉氢，可实现全生命周期碳中和，但核能有其关联问题。制取蓝绿氢，需要合理平衡经济可行性和可持续性。黑氢、棕氢和灰氢的制取成本较低，是环保方案的经济实惠替选。

黑氢和棕氢主要由煤气化生产，煤与氧气和蒸汽在高温条件下发生多次化学反应，生成合成气。合成气是包含氢气的混合气体。 

黑氢是煤炭燃烧产生的，煤炭密度大，能量密度高。而棕氢是褐煤燃烧产生的，褐煤质量较小，密度较低，含水量较高，能量密度较低。 

从环境影响角度分析，黑氢和棕氢的生产制取方法相似，均相对高效。但是它们都依赖化石燃料，不会捕集碳，抵消了氢能的可持续发展优势。

在煤气化工艺中，煤首先经过破碎，通过筛分去除杂质，随后进入后续工序。

1. 干燥和热解（脱硫）

初始阶段需要加热煤炭，去除夹杂的水分和挥发性物质，将煤炭分解成其他元素和物质。干燥温度约为200°C（392°F），随后在300...700°C（572...1,292°F）温度范围内热解。热解将较大分子的煤炭分解成较小分子的气体（主要成分包括甲烷（CH₄）、氢气（H₂）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂））和液体焦油。

2. 燃烧

部分煤炭（C）转变为焦炭，即热解的固体残留物，在受控条件下接触挥发性气体和氧气（O₂）后燃烧。属于放热反应，为后续气化反应提供热量。完全燃烧产生二氧化碳，部分燃烧产生一氧化碳。

C + O₂ → CO₂（完全燃烧）
2C + O₂ → CO（部分燃烧）

3. 气化

在气化反应中，剩余的煤炭接触水蒸气（H₂O）和氧气，在1,200...1,500°C (2,192...2,732°F)高温条件下发生还原反应，生成氢气和其他气体。典型气化反应化学方程式如下： 

_水的气化反应：C + H₂O ⇌ CO + H₂（吸热反应）
碳的气化反应：C + CO2 ⇌ 2CO（吸热反应）   

反应产物为合成气，混合气体的主要组分有一氧化碳、氢气、二氧化碳和其他痕量气体。

4. 甲烷化

有时为了增加合成气的甲烷浓度，还会进入甲烷化工艺。使用绿氢和回收的二氧化碳（CO₂），或者来自直接空气捕集（DAC）的二氧化碳（CO₂），有时也称之为合成甲烷（E-Methane）。 在催化剂的作用下，一氧化碳与氢气发生化学反应，方程式如下：

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O（放热反应）

5. 合成气净化和提纯

粗合成气中夹杂有杂质，去除杂质后才能用于后续生产。常见净化过程如下：

• 除灰：采用物理分离技术去除颗粒物。 
• 脱硫：去除硫化氢（H₂S）等的化合物，一般使用胺液洗气 或其他类似工艺。 
• 去除二氧化碳，捕集二氧化碳（CO₂）气体，进行封存，或者在其他工业生产过程中再利用。

6. 氢气分离和处理

从净化后的合成气中分离出氢气是最后一道工序。分离氢气的方法非常多，以下两种分离技术最为常用：

• 变压吸附技术， 利用吸附材料选择性捕集一氧化碳，分离出纯净的氢气。 
• 膜分离技术， 利用专用膜，仅允许氢气通过，阻止其他气体。

灰氢是现今工业生产过程中最常见的氢气类型，是蒸汽甲烷重整（SMR）或自热重整（ATR）的过程产物。这两种制氢方法都需要使用含甲烷的烃类原料气，天然气是主要原料。

采集天然气和制取氢气

天然气无色无味，主要储存在地下石油藏中。历经数百万年，有机物在高温高压条件下分解，成为具有多种用途的能源，是现代社会的基石，为家庭提供燃料，为工业提供动力和电能。它同时还是多种化合物的生产原料，化合物的最终成品有合成纤维、防冻剂、油漆、包装材料、洗发水、乳液和肥料。

天然气常常储存在多孔隙岩层中，藏在不易泄漏的不透水的岩层之下。油气藏可能在地下，也可能在近海海底。天然气开采需要进行复杂的地质勘探、地震成像和钻油井，以便探明储量。确定天然气储气层后方可进行开采，通常会基于实际地质结构组合使用多项技术。

最常见的方法是在储气层钻井眼，修建天然气通向地面的人工通道。储气层的自然气压驱动天然气流动。在天然气的开采过程中，压力通常会下降，需要借助泵或压缩机进行人工增压，以维持正常生产。

到达地面的天然气，即开采出来的天然气通常夹带有水蒸气、砂子和其他气体，有待后续处理。包括去除杂质，分离出有用成分，为后续直接使用天然气做准备，此类气体处理非常重要。天然气经处理，变为压缩天然气（CNG）或液化天然气（LNG），通过管道运输，由专用油轮运输到世界各地的用气端。 

灰氢成为主要氢气类型得益于全球范围内天然气资源丰富。同煤气化相比，蒸汽甲烷重整（SMR）和自热重整（ATR）过程的碳密集度较低，因此灰氢比黑氢和棕氢更受欢迎。蓝氢是蒸汽甲烷重整（SMR）和自热重整（ATR）过程结束后进一步进行捕集碳制取的氢气，随后运输和封存，运营成本高昂。 

向完全可再生能源系统转型是氢价值链的终极目标，现有电厂采用天然气掺氢技术，是一种临时解决方案。这一过程需要高精度流量计和在线气体分析仪，确保混合气体的组分稳定，保证成功。氢气也可掺入民用和商用天然气供气管道中，最高允许掺氢比例为20%，取决于各国法规。

同天然气相比，氢气燃烧更加清洁，有助于减少碳排放。在氢气和天然气的混合气体中，家用电器最多只会燃烧20%的氢气，但电厂燃气轮机会燃烧更多的氢气，部分新型号的燃气轮机全部烧氢气。

天然气掺氢有助于逐步向清洁能源转型，无需立即整体更换现有基础设施，缓解了新建电厂和新敷设管道所需的大量投资需求。

这一战略是否能够取得成功，在很大程度上取决于氢源供给。灰氢、棕氢、黑氢的制取过程一定会产生碳排放，污染环境，利用可再生资源发电制取绿氢则可以显著降低温室气体排放，助力达成净零排放目标。

伴随着氢能革命的推进，了解不同类型的氢气，知晓它们的生产制取方法和产生的环境影响，至关重要。绿氢是净零目标，但低碳氢能，以及黑氢、棕氢和灰氢对于推进基础设施建设、氢能研究，以及能源多样化也同样非常重要。

在未来几十年内，人们仍需应对气候变化，确保电力连续供应，实现可持续发展，这都需要多种形式的能源载体。有待攻克的难题仍不少，但氢气仍有望成为清洁、多功能、可持续的能源载体。