综述：全球可持续能源目标下氢能生产技术的综合评述：途径与应用

本综述全面评述了氢能生产技术路径，系统分析了灰氢（SMR）、蓝氢（CCS）、绿氢（电解水）和蓝绿氢（热解）的生产方法，涵盖技术成熟度（TRL）、经济成本（如SMR 1-2美元/kg，电解水4-6美元/kg）、能效（电解60-85%）及全生命周期碳排放（灰氢9-14 kg CO2/kg H2，绿氢近零）。重点探讨了电解技术（AWE、PEM、SOEC）、生物制氢（暗/光发酵）及新兴路径（热化学循环、人工光合作用），为低碳能源转型提供关键技术洞见和政策建议。

　　

氢能生产技术路径综述

引言

氢能作为低碳可持续能源系统的关键载体，在工业、交通和住宅能源领域具有广泛应用。其环境效益高度依赖于生产技术：灰氢通过蒸汽甲烷重整（SMR）产生，伴随高碳排放（9-14 kg CO₂/kg H₂）；蓝氢结合SMR与碳捕集封存（CCS），可减少47-53%排放；绿氢通过可再生能源电解水实现近零排放；蓝绿氢（甲烷热解）则产生固体碳副产物，避免CO₂释放。

热化学过程

蒸汽甲烷重整（SMR）是当前主流技术，成本仅1-2美元/kg，但需依赖化石燃料。其反应为CH₄ + H₂O → CO + 3H₂，后续水煤气变换反应（CO + H₂O → CO₂ + H₂）进一步提高产氢量。集成CCS的蓝氢成本约2.7美元/kg，排放可降至3-6 kg CO₂/kg H₂。部分氧化（POX）和自热重整（ATR）通过调控氧源优化合成气产出，ATR反应为CH₄ + H₂O + 0.5O₂ → CO₂ + 2H₂，兼具能效与操作灵活性。气化技术（煤/生物质）通过C + H₂O → CO + H₂反应生成氢-rich合成气，生物质气化更契合碳中和目标。

电化学过程

水电解是绿氢生产的核心路径。碱性电解（AWE）技术成熟，成本较低但效率受限（60-70%）；质子交换膜电解（PEM）响应快、效率高（65-75%），但依赖贵金属催化剂；固体氧化物电解（SOEC）在高温（800-900°C）下运行，能效可达85%，反应为H₂O + 2e^- → H₂ + O^2-。阴离子交换膜电解（AEM）结合碱性环境与低催化剂成本，是新兴方向。光电化学水分解（PEC）直接利用太阳能，反应为H₂O + hν → H₂ + O₂，但转换效率仍低于10%。

生物制氢

暗发酵利用微生物分解有机质（如葡萄糖C₆H₁₂O₆ → 2H₂ + 2CO₂ + 2CH₃CH₂OH），产氢率受底物与代谢路径影响；光发酵依赖光合细菌，需厌氧与光照条件；微生物电解池（MEC）通过电化学辅助提升产氢效率，反应涉及乙酸氧化（CH₃COO^- + 2H₂O → 2CO₂ + 7H⁺ + 8e^-）与质子还原（8H⁺ + 8e^- → 4H₂）。藻类制氢利用氢化酶，但氧敏感性制约其规模化应用。

热解与新兴技术

甲烷热解（CH₄ → C + 2H₂）产生蓝绿氢，反应焓变仅37 kJ/mol-H₂，远低于电解水（285 kJ/mol-H₂）。催化热解采用熔融金属或镍基催化剂提升效率。热化学水分解循环（如硫-碘循环）通过多步反应（2H₂O + SO₂ + I₂ → H₂SO₄ + 2HI → H₂ + O₂）实现高效制氢。人工光合作用与等离子体辅助技术仍处于研发阶段，但潜力显著。

废弃物与生物质制氢

通过气化、发酵等技术将有机废弃物转化为氢，兼具废物管理与能源生产效益。超临界水气化（SCWG）处理高湿生物质效率突出，而双级气化-重整工艺可提升氢产率至77.78 g/kg煤。

技术经济与环境分析

成本方面：灰氢最低（1-2美元/kg），绿氢当前较高（4-6美元/kg），但随可再生能源降价与技术进步（如SOEC、PEM优化）有望下降。环境表现：绿氢与生物制氢全生命周期碳排放最低，蓝氢依赖CCS有效性，灰氢碳强度最高。能效：SMR达65-75%，电解技术60-85%，热化学循环理论效率超70%。

创新与前景

固态氧化物电解（SOEC）、混合电热循环、甲烷热解等新兴技术正推动氢能生产向高效、低碳方向发展。在钢铁、航空、航运等难减排领域，氢作为还原剂、合成燃料原料或直接能源载体，深度赋能碳中和。政策支持与国际合作仍是规模化部署的关键推动力。