氢产生

生产氢是生成氢气的工业方法家族。氢的商业生产有四个主要来源：天然气，石油，煤炭和水的电解；这分别占世界氢产量的48％，30％，18％和4％。化石燃料是工业氢的主要来源。截至2020年，大多数氢（〜95％）是通过天然气和其他轻烃，较重的碳氢化合物的部分氧化以及煤气化而产生的。产生氢的其他方法包括生物质气化和甲烷热解。甲烷热解和水电解可以使用包括可再生能源在内的任何电源。

氢的生产在任何工业化社会中都起着关键作用，因为许多化学过程需要氢。在2020年，全世界生产了大约8700万吨氢，用于各种用途，例如精炼，通过HABER工艺生产氨，以及通过还原一氧化碳生产甲醇。全球氢发电市场在2022年的价值相当高1550亿美元，预计将从2023年至2030年以9.3％的复合增长率增长。

蒸汽甲烷改革

蒸汽甲烷改革（SMR）由天然气，主要是甲烷（CH ₄ ）和水产生氢。它是工业氢的最便宜来源，是世界氢近50％的来源。该过程包括将气体加热到700–1,100°C（1,300–2,000°F），在镍催化剂上蒸汽存在下。所得的吸热反应形成一氧化碳和分子氢（H ₂ ）。

在水气转反应中，碳一氧化碳与蒸汽反应以获得进一步的h ₂ 。 WGSR还需要一种催化剂，通常在氧化铁或其他氧化铁上。副产品为CO ₂ 。根据原料（天然气，石脑油等）的质量，产生的一吨氢还将产生9至12吨CO ₂ ，这是一种可能被捕获的温室气体。

在此过程中，高温蒸汽（H ₂ O）在吸热反应中与甲烷（CH ₄ ）反应，以产生同步。

CH ₄ + H ₂ O→CO + 3 H ₂

在第二阶段，通过低温，放热的水气流反应产生了额外的氢，在约360°C（680°F）下进行：

CO + H ₂ O→CO ₂ + H ₂

本质上，将氧原子从额外的水（蒸汽）剥离为氧化CO到CO ₂ 。这种氧化还提供了维持反应的能量。驱动过程所需的额外热量通常是通过燃烧甲烷的一部分来提供的。

其他化石燃料方法

部分氧化

天然气和较重的碳氢化合物生产是通过部分氧化实现的。燃料空气或燃料氧混合物被部分燃烧，导致富含氢和一氧化碳的合成酶。然后，通过水电偏移反应从一氧化碳（和水）获得更多的氢和二氧化碳。二氧化碳可以共同喂养以降低氢与一氧化碳比率。

当化学计量燃料空气混合物或燃料氧在改革仪或部分氧化反应器中部分燃烧时，会发生部分氧化反应。在热部分氧化（TPOX）和催化部分氧化（CPOX）之间进行区分。化学反应采用一般形式：

2 C _N H _M + N O ₂ →2 N CO + M H ₂

假设成分C ₁₂ H ₂₄和C ₂₄ H ₁₂的理想示例如下：

C ₁₂ H ₂₄ + 6 O ₂ →12 CO + 12 H ₂

C ₂₄ H ₁₂ + 12 O ₂ →24 CO + 6 H ₂

血浆改革

Kværner工艺或Kvaerner Carbon Black ＆Hydrogen工艺（CB＆H）是一种血浆改革方法，是由同名挪威公司在1980年代开发的，用于从液体氢碳（C _N H _M ）中生产氢和碳黑色。在饲料的可用能量中，大约有48％的氢包含在活性炭中，有40％的含量为10％，在过热的蒸汽中含有10％。 CO ₂在此过程中未产生。

在2009年，使用等离子体弧废物处理技术来生产该过程的变化，用于在等离子体转化器中生产甲烷和天然气的氢和碳。

煤炭

为了从煤炭生产氢，使用煤气化。煤气的过程使用蒸汽和氧气破坏煤中的分子键，并形成氢和一氧化碳的气态混合物。二氧化碳和污染物可能更容易从煤气和煤炭燃烧中获得的气体中清除。转化的另一种方法是低温和高温煤炭化。

由煤的热解（无氧加热）制成的可乐烤箱气体具有约60％的氢，其余为甲烷，一氧化碳，二氧化碳，氨，分子氮和硫化氢（H ₂ S）。氢可以通过压力摆动吸附过程与其他杂质分开。日本钢铁公司通过这种方法进行了氢的生产。

石油可乐

石油焦炭也可以通过煤气转换为富氢的合成剂。生产的合元主要由可乐饲料中硫的氢，一氧化碳和H ₂ s组成。气化是从几乎所有碳源产生氢气的一种选择。

耗尽的油井

将适当的微生物注入枯竭的油井中，使他们可以从剩余的，不可恢复的油中提取氢。由于唯一的输入是微生物，因此生产成本很低。该方法还产生浓缩CO
₂原则上可以捕获。

从水

无需使用化石燃料而生产氢的方法涉及水分分裂的过程，或将水分子（H ₂ O）拆分为其成分氧和氢。当拆卸水的能源是可再生或低碳时，产生的氢有时称为绿色氢。转换可以通过多种方式完成，但是目前所有方法都比基于化石燃料的生产方法更昂贵。

水电解

水电解利用电将水分成氢和氧气。截至2020年，氢产量的不到0.1％来自水电解。水的电解效率为70-80％（转化率20–30％），而天然气的蒸汽重整的热效率在70％至85％之间。电解的电效率预计在2030年之前将达到82-86％，同时还要保持耐用性，因为该区域的进展仍在继续。

水电解可以在50–80°C（120–180°F）下运行，而蒸汽甲烷改革需要在700–1,100°C（1,300–2,000°F）的温度下进行。两种方法之间的差异是使用的主要能量。电力（用于电解）或天然气（用于蒸汽甲烷改革）。由于使用水，可用的资源，电解和类似的水分方法吸引了科学界的兴趣。为了降低氢产量的成本，可再生能源的目标是允许电解。

电解细胞，固体氧化物电解质细胞（SOEC），聚合物电解质膜细胞（PEM）和碱性电解细胞（AEC）有三种主要类型。传统上，碱性电解质在投资方面便宜（通常使用镍催化剂），但效率较低。相反，PEM电解器更昂贵（它们通常使用昂贵的铂金属催化剂），但效率更高，可以在较高的电流密度下运行，因此，如果氢产生足够大，则可能会更便宜。

SOEC在高温下运行，通常约为800°C（1,500°F）。在这些高温下，可以作为热能（热能）提供大量所需的能量，因此称为高温电解。可以从许多不同的来源提供热能，包括废物工业热，核电站或浓缩的太阳能热电厂。这有可能通过减少电解所需的电能量来降低产生的氢的总成本。

PEM电解细胞通常在100°C（212°F）以下运行。这些单元具有相对简单的优点，并且可以设计为接受广泛变化的电压输入，这使得它们非常适合与可再生能源（例如光伏太阳能电池板）一起使用。 AEC以高浓度的电解质（KOH或碳酸钾）和高温（通常在200°C（392°F）接近）时最佳地运行。

工业产出和效率

假设H ₂的标准温度和压力，现代氢发电机的效率是通过按标准量的氢（MJ/m ³ ）消耗的能量来衡量的。发电机使用的能量越低，其效率越高。 100％效率的电解器每公斤（142 mJ/kg）的氢气消耗39.4千瓦时，每升12,749焦耳（12.75 mj/m ³ ）。实用的电解通常使用旋转的电解器，其中离心力有助于将气泡与水分开。如果氢气被压缩以用于氢汽车，则这种在15杆压力下的电解器可能会消耗50千瓦时（180 mJ/kg），另外15千瓦时（54 MJ）。

常规碱性电解的效率约为70％，但是效率高达82％的晚期碱性水电解体。考虑使用更高的热值的使用（因为可以通过热量效率低下的效率重新定向到系统中，以创建催化剂所需的蒸汽）， PEM电解的平均工作效率约为80％，或使用最现代的碱性碱性的82％电解器。

PEM效率预计将在2030年之前提高到约86％。预计PEM电解质的理论效率将高达94％。

截至2020年，电解的氢成本约为3-8美元/千克。考虑氢的工业生产，并使用当前的水电解过程（PEM或碱性电解），其有效的电效率为70-82％，产生1 kg的氢（其特异性能量为143 MJ/kg或大约40 kWh/kg）需要50–55 kWh的电力。氢成本在2015年的能源氢生产目标中规定的价格为0.06美元/千瓦时，氢成本为$ 3/kg。

2020年美国氢的美国能源部目标价格为$ 2.30/kg，需要$ 0.037/kWh的电力成本，这是可以实现的，鉴于许多地区的风能和太阳能的近期PPA招标是可实现的。 irena.org的报告是一份广泛的事实报告，报导了当今的工业氢生产每公斤约53至70 kWh的报告可能降至约45 kWh/kg H
₂ 。通过电解氢所需的热力学能量转化为33 kWh/kg，它比碳捕获的蒸汽重整高，高于甲烷热解。通过蒸汽甲烷改革（SMR），电解比氢相比的优势之一是可以在现场生产氢，这意味着可以避免通过卡车或管道传递的昂贵过程。

化学辅助电解

In addition to reduce the voltage required for electrolysis via the increasing of the temperature of the electrolysis cell it is also possible to electrochemically consume the oxygen produced in an electrolyser by introducing a fuel (such as carbon/coal, methanol , ethanol , formic acid ,甘油等）进入反应器的氧气侧。这减少了所需的电能，并有可能以这种方式提供剩余的能量，从而将氢的成本降低到小于40〜60％。

碳/碳氢化合物辅助水电解（CAWE）有可能提供较少能源密集型，更清洁的方法，用于在各种碳中使用化学能，例如低级别和高硫煤，生物量，醇和甲烷（天然气）（天然气） ，在无需分离的情况下，可以轻松地隔离纯CO 2 。

辐射分解

核辐射可以通过辐射分解破坏水键。在南非的Mponeng金矿中，研究人员在天然存在的高辐射区发现了细菌。由新的脱硫瘤系统主导的细菌群落主要以放射性化产生的氢为食。

热解

水在2500°C左右自发解离，但是这种热解在温度太高的情况下发生，对于通常的工艺管道和设备，导致商业化潜力较低。

对生物质的热解

基于热解温度，即低温缓慢热解，中温快速热解和高温闪光热解。源能量主要是太阳能，借助光合微生物分解水或生物量以产生氢。但是，此过程的氢收率相对较低，而且工作成本高。对于行业来说，这不是可行的方法。

核辅助热解

高温气化反应器（HTGR）是通过大规模分割水生产_氢的最有希望的无核技术之一。在这种方法中，选择了用于分裂水和高温蒸汽电解（HTSE）的碘硫酸（IS）热化学周期作为核氢产生的主要过程。 SI周期遵循三个化学反应：

Bunsen反应：I ₂ +SO ₂ +2H ₂ O = H ₂ SO ₄ +2Hi

HI分解：2Hi = H ₂ +I ₂

硫酸分解：H ₂ SO ₄ = SO ₂ +1/2O ₂ +H ₂ O

HTGR与IS周期的氢生产率约为0.68 kg/s，建造电厂单位的资本成本为1亿美元。

热化学周期

热化学循环将仅加热源（热源）与化学反应结合在一起，将水分成氢和氧气成分。之所以使用术语周期，是因为除了水，氢和氧气外，这些过程中使用的化合物还连续回收。如果电力部分用作输入，则将产生的热化学循环定义为杂种循环。

硫 - 碘循环（SI循环）是一个热化学循环过程，从水中产生氢，效率约为50％。该过程中使用的硫和碘被恢复和重复使用，而不是被该过程所消耗的。该周期可以用任何非常高温的来源进行，例如大约950°C，例如通过浓缩太阳能系统（CSP），被认为非常适合通过高温核反应堆产生氢，因此，正在日本的高温工程测试反应堆中进行了研究。还有其他杂交循环都使用高温和某些电力，例如铜 - 氯周期，它被归类为杂交热化学循环，因为它在其中一个反应步骤中使用电化学反应，它在530°C和530° C和效率为43％。

铁矽法

军方使用铁矽矽迅速为气球生产氢。该化学反应使用氢氧化钠，铁西矽和水。发电机足够小，可以安装卡车，只需要少量的电力，材料稳定且不可燃烧，并且在混合之前不会产生氢。自第一次世界大战以来，该方法一直在使用。重型钢压力容器充满了氢氧化钠和甲基矽钠，并添加了受控量的水；氢氧化物的溶解将混合物加热到约93°C并开始反应。产生矽酸钠，氢和蒸汽。

光生物学分解

生物氢可以在藻类生物反应器中产生。在1990年代后期，发现如果藻类被剥夺了硫，它将从氧气的产生（即正常光合作用）转变为氢的产生。现在，通过超越了7-10％的能源效率（将阳光转化为氢）屏障，现在的生产在经济上是可行的。每小时培养的氢生产速率为10-12 ml。

光催化水分裂

通过水分分配过程将太阳能转化为氢，是实现清洁和可再生能源系统的最有趣方法之一。但是，如果通过直接悬浮在水中而不是使用光伏系统的光催化剂来帮助此过程，则反应仅在一个步骤中，它可以提高效率。但是，当前系统的性能较低。

生物氢路线

生物量和废物流原则上可以通过生物量气化，蒸汽改革或生物转化率（例如生物塔式电解或发酵氢生产）转化为生物氢化。

在氢生产方法中，生物途径的能源密集型可能较少。此外，可以利用多种废物和低价值材料（例如农业生物量）通过生化或热化学途径来生产氢。然而，目前氢气主要由化石燃料，尤其是不可再生的天然气产生。氢气不仅是最干净的燃料，而且在许多行业，尤其​​是肥料，石化和食品中都广泛使用。

向氢的生化途径分为黑暗和照片发酵过程。在深色发酵中，碳水化合物通过发酵微生物（包括严格的厌氧菌和兼性厌氧菌细菌）转化为氢。可以产生4 mol H ₂ /mol葡萄糖的理论最大值。在此过程中，糖可转换为挥发性脂肪酸（VFA）和醇作为副产品。照片发酵细菌能够从VFA产生氢。因此，在黑暗发酵中形成的代谢产物可以用作照片发酵中的原料，以增强氢的整体产量。

发酵氢的生产

发酵氢的生产将有机底物转换为氢。一组各种细菌促进了这种转变。光顺序与深色发酵不同，因为它仅在光照下进行。例如，可以使用rohodobacter sphaeroides sh2c的光发射来将一些脂肪酸转化为氢。

可以使用绿藻直接生物溶解，蓝细菌的间接生物解析，厌氧光合细菌的光发射以及厌氧发酵细菌的暗发酵。例如，在文献中报导了使用盐储液生产氢的研究，一种厌氧光合细菌，与大肠杆菌等氢化酶供体偶联。肠杆菌燃气是另一种氢生产剂。

酶促氢的产生

已经设计了多种酶促途径，以从糖中产生氢。

生物催化电解

除了黑暗的发酵外，电氢化（使用微生物进行电解）是另一种可能性。使用微生物燃料电池，废水或植物可用于产生动力。生物催化电解不应与生物氢的产生相混淆，因为后者仅使用藻类，而在后者的情况下，藻类本身会立即产生氢，在这种情况下，使用生物催化的电解，这种情况发生在经过微生物燃料电池和多种水生植物工厂后发生。可以使用。其中包括芦苇甜草，脐带草，大米，西红柿，羽扇豆和藻类。

纳米铝铝合金粉

铝合金粉与水接触后会产生氢气。据报导，它以理论产量的100％产生氢。产生铝合金的成本效益的途径仍然难以捉摸。

CC-HOD

CC-HOD（催化碳 - 按需氢）是一个低温过程，将碳和铝浸入碳和铝的过程中，并加热到约80°C（176°F），导致产生氢的化学反应。

天然氢

氢也自然地在地下。这种天然氢（也称为白氢）可以以与石油和天然气等化石燃料相似的方式从井中提取。

可以在可再生氢经济的大规模中发现或生产白氢。可以将水泵到热铁的岩石中以产生氢，并可以提取氢。

对环境造成的影响

截至2020年，大多数氢是由化石燃料产生的，导致二氧化碳排放。当排放到大气中时，该技术生产的氢被描述为灰氢，当通过碳捕获和存储（CCS）捕获排放时，蓝色氢。据估计，与燃烧的柴油相比，蓝色氢的碳足迹比燃烧气或煤的碳足迹高20％，并且与燃烧的柴油相比，碳足迹高60％，假设我们通过蒸汽甲烷改革者（通过蒸汽甲烷改革者（ SMR）用二氧化碳捕获进行了翻新。

与二氧化碳捕获的SMR相比，这种植物的使用自动改革者（ATR）与二氧化碳的综合捕获相比，在令人满意的能量效率和生命周期评估中允许更高的捕获率。在欧洲综合捕获二氧化碳的应用程序的应用已被评估为比燃烧天然气的温室气体足迹低，例如H21项目，据报导，由于较低的天然气二氧化碳强度，据报导降低了68％具有更合适的反应堆类型，用于捕获二氧化碳。

可再生能源产生的氢通常称为绿色氢。从可再生能源产生氢的两种方法被认为是实用的。一种是将电力用于气体，其中电力用于从水的电解中产生氢，另一种是使用垃圾填埋气在蒸汽改革器中产生氢。当由风能或太阳能等可再生能源产生的氢燃料是可再生燃料。通过电解产生的氢有时被视为绿色氢的子集，但也可以称为粉红色氢。 Oskarshamn核电站于2022年1月达成协议，以每天的公斤级提供商业粉红色的氢。

截至2020年，灰氢和蓝色氢的估计生产成本为$ 1-1.80/kg，绿色氢的生产成本为2.50–6.80美元。

截至2022年，使用化石燃料（主要是天然气）全球生产的9400万吨灰氢，因此是温室气体排放的重要来源。

氢用途

氢用于将重石油级分转换​​为较轻的石油级分。它也用于其他过程中，包括芳香化过程，氢硫化和氨的产生， Haber过程是生产合成氮肥的主要工业方法，用于全球增长47％的食品。

氢可以在燃料电池中用于本地发电，也可以用作运输燃料。

通过电解生产氢作为产生工业氯的副产品。尽管需要昂贵的技术，但可以将氢气冷却，压缩和纯化以在现场其他过程中使用，也可以通过管道，气缸或卡车出售给客户。较便宜的批量生产方法的发现和开发与建立氢经济有关。

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