氢是可再生能源的搬运工，可以有效降低流程工业碳排放（图）

  [中国石化报 2023-11-16]
  当前的能源系统以化石能源为主，为终端用户提供电力和液体燃料；未来的能源系统以核能和可再生能源为主，为终端用户提供氢能和电力。氢能与未来能源系统可以很好地耦合。据中国石化经济技术研究院预测，到2060年，我国氢产量将达1.2亿吨，其中绿氢有1亿吨的规模。
  套用一句广告词——氢是可再生能源的搬运工。没有可再生能源就不要谈氢能。氢是二次能源，像电一样，没有一次能源就不要谈电。绿氢的关键是可再生能源的获得和氢的制备。
  目前几种电解水制氢技术各有所长：碱性电解水制氢，电解效率在60%~75%，工作温度在70~90摄氏度，已商业化广泛应用；质子交换膜电解水制氢，电解效率在80%~90%，工作温度在70~80摄氏度，已部分商业化应用；固体氧化物电解水制氢，电解效率在85%~100%，工作温度在600~1000摄氏度，处于样机示范运行阶段。采用这几种技术，1立方米氢消耗3.5~4.2千瓦时电，未来降低氢的价格主要是降低设备的投资。
  此外，固体聚合物（SPE）电解水制氢技术优势明显：电解纯水，无腐蚀污染；响应快，可与风能、太阳能结合；氢气纯度高，在99.99%以上；电解效率高，能耗低，无碱雾净化装置。中国科学院大连化物所研制的260千瓦SPE电解槽，电解效率达86%，极限为1立方米氢气消耗3.54千瓦时电。大规模SPE电解水制氢面临的挑战是，如何降低贵金属的用量、研制高效廉价的膜材料等。
  预计到2050年，电解水制氢的价格要低于煤制氢的价格，届时，我国氢消费量将达8100万吨，氢能总产值达1.6万亿元。
  氢可以实现可再生能源的大规模储存和传输。可再生能源电解水制得的氢，可以直接通过输氢管道输送，也可以制合成氨或甲醇，技术上没有难度，关键是经济性。
  我国很大一部分二氧化碳排放来自流程工业，与绿氢耦合可以有效降低碳排放。如高炉炼钢，2020年我国粗钢产量10.65亿吨，排放二氧化碳14.7亿吨。现在是用一氧化碳、甲烷等还原，未来如果用氢来还原氧化铁变成金属铁，会很好地解决碳排放问题。预计到2050年，低碳（氢）冶金占比将在50%左右。在水泥行业，我国2020年水泥产量23.95亿吨，排放二氧化碳14.2亿吨，主要是将碳酸钙煅烧成氧化钙排放，可以把煅烧变成还原，用碳或氢将碳酸钙还原为氧化钙。
  水泥生产如果用粉煤中的碳还原碳酸钙，可以得到一氧化碳。一氧化碳又可以与钢铁生产耦合，将氧化铁还原为金属铁。两个过程采用绿电和高效等离子体加热的方法，可以实现水泥和钢铁生产的耦合，既简化了工艺，又降低了排放。
  二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。
  我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
  转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。
  二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。
  光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。
  这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。
  二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。
  我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
  转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。
  二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。
  光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。
  这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。
  二氧化碳的来源包括化石燃料、工业过程、生物过程、地下矿藏、大气等。目前，二氧化碳捕集并直接地质埋存成本高昂；直接利用方式包括植物或肥料增产、提高石油采收率、作为传热流体用于超临界动力系统，以及用于食品、饮料、焊接、医疗等行业；转化利用方式包括制造甲烷、甲醇、汽油等燃料，制造聚合物等化学品，以及制造建筑材料等。
  我国二氧化碳化学转化利用面临的科学难题包括：一是规模不对等，我国最大宗的化学品乙烯年产量在6000万~7000万吨，是二氧化碳排放量的几百分之一；二是二氧化碳分子能量低，要想化学利用，变成高能量的化学品，就一定要活化，加入超过100%的能量；三是我国贫氢，而二氧化碳化学利用需要加入大量的氢，目前我国氢主要来自化石能源。所以，二氧化碳的化学转化非常困难，除非是在富氢、富能和二氧化碳插入反应的特殊体系来转化，如利用二氧化碳制造碳酸二甲酯。
  转化二氧化碳需要加入的能量和氢，要靠可再生能源来提供。因此，二氧化碳的转化，本质上是可再生能源的储存和搬运。没有可再生能源，二氧化碳转化就无从谈起。
  二氧化碳的转化方法包括热催化过程、光化学过程、电化学过程。其中，热催化制甲醇已有百年历史，从分子式（CO2+3H2→CH3OH+H2O）看，6千克氢（18元/千克）可制得32千克甲醇（2500元/吨），成本108元，产出80元；热催化制烯烃，从分子式（2CO2+6H2→CH2CH2+4H2O）看，12千克氢可制得28千克乙烯（7500元/吨），成本216元，产出205元。简单分析，要实现经济性是很难的。因此，二氧化碳的交易价格、氢的价格、煤的价格，决定了二氧化碳热催化转化的经济性，这是很大的挑战。
  光化学过程可以建设太阳燃料工厂，将太阳能高效低成本转化为氢能、燃料、化学品等。目前，光催化水制氢，仍受制于低能量转化效率瓶颈，需要提升材料的光生电荷分离效率；光催化二氧化碳制燃料或化学品，转化效率非常低，远不及热催化和电催化，未来需要在光反应和催化剂上下功夫。中国科学院成功将二氧化碳人工合成淀粉，是以二氧化碳为原料，利用光伏等可再生电源分解水提供氢气，在化学反应器中进行二氧化碳高效还原，在生物反应装置中合成淀粉。如果这一途径可以达到理论能量转换效率的80%，从电到淀粉合成的能量转换效率可达41.6%，那么合成1千克淀粉需要大约10千瓦时电，通过途径改造，能效提高空间很大。
  这三个方法中，目前看来最可行的是将二氧化碳电解转化，最近也有一些好的进展。二氧化碳通过电还原的方法，不仅可以还原为一氧化碳，还可以生产甲酸、甲烷、乙烯、乙醇等。一氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电47千瓦时，副产氢气0.054千克、乙醇0.83千克、丙醇0.42千克、乙酸2.35千克。二氧化碳电化学直接制化学品，每生产1千克乙烯，消耗电86.2千瓦时，副产氢气0.26千克、一氧化碳0.078千克。如果电价合适，电化学方法的经济性是可以比肩热催化的。但一个很大的问题是，相比石油化工放大是靠催化剂的加量（从1克到1千克到1吨），电化学的放大完全靠面积的放大，难度很大，因此，电催化转化未来努力的方向是稳定性和可放大性。