垃圾制氢，能帮人类摆脱生态危机吗

天下网商记者 张超

下一代最完美的能源解决方案是什么？

风能、太阳能、潮汐能，也许并不足以使世界经济脱碳，最有可能实现这一目标的是氢能源。

氢能源应用广泛、方便储存运输、零排放，几乎是完美能源。然而，全球目前超过95%的氢气都是由化石燃料制备，商业化制氢存在严重污染。

目前，美国一些公司已经开始尝试商业化垃圾制氢，这种方案有望帮助地球摆脱环境困境。

所有交通工具都能氢能源

各国都在押注氢能源，尤以日本线路最为激进。

丰田高压储氢罐

丰田就一直在钻研氢燃料电池，拥有燃料电池堆、高压储氢罐、燃料电池系统控制以及加氢站技术等大量专利，也研发出了量产氢燃料汽车。

丰田氢燃料电池汽车

为此，日本政府已建造了约100个加氢站，计划到2026年再建造300个加氢站。

汽车在加氢站加氢

为了东京奥运会，日本政府又投资了400亿日元（3.48亿美元）建设氢基础设施，比如奥运会运动员村的住宅，就全部依靠氢能，该街区的商业设施也采用氢能。

东京奥运会运动员村示意图

除了日本，美国、德国等国家也早就在氢能上发力。

早在2002年，时任美国总统小布什就推动了一项计划，促进研究、生产和储存氢能源，并鼓励更多企业开发氢燃料电池，旨在减少污染，减轻对化石能源的依赖。

2018年，美国造船厂（AAM）开始建造美国第一艘84座氢燃料电池船，该船今后将在加利福尼亚湾地区运营。

氢气船概念图

去年春季，美国公司ZeroAvia制造的氢燃料电池飞机获得FAA（美国联邦航空管理局）初始认证并试飞成功。

ZeroAvia首次试飞成功

2018年，德国推出了世界上第一批氢燃料电池火车，两列火车在德国北部约100公里的线路上进行了试跑。

氢燃料电池火车

预计到2021年，投运的氢燃料电池火车将达到14列。

即便印度，也对氢能源表现出浓厚兴趣。

由于印度环境污染严重，特别是德里长期遭受空气污染，印度政府已希望转向氢能源来解决空气污染危机。

印度空气污染严重

去年12月，印度政府已经向最高法院提交氢燃料提案的完整报告，希望在德里引入日本开发的氢燃料技术，替代目前的化石能源。

印度石油部长更是公开呼吁发展氢燃料电池，韩国现代汽车也做出配合，评估在印度推出氢燃料电池汽车的可行性。

印度石油部长视察氢燃料电池汽车

不是所有氢能源都是绿色

美国能源部下属阿贡国家实验室的研究人员表示，氢燃料的需求越来越旺盛，但是目前商业化制氢还存在严重污染。

根据生产方式的不同，商业制氢分为“灰色氢”、“蓝色氢”、“绿色氢”。

“灰色氢”主要是通过化石燃料产生，比如蒸汽甲烷重整。

化石燃料制氢示意图

这种以化石燃料为基础获得的氢气并不环保，数据显示，每生产1吨“灰色氢”，就会同时增加9-12吨二氧化碳排放。

目前，全球超过95%的氢气都来源于此。

研究人员直截了当指出，“目前氢气使用看似清洁，但只是将碳排放转移到了上游，从汽车转移到制氢工厂。”

不同氢气的生产途径

而“蓝色氢”同样是基于化石燃料生产氢气，但可以捕获或者储存制氢过程中排放的二氧化碳。

由于不可能捕获所有产生的二氧化碳，因此这种氢气也叫做“低碳氢”。

“蓝色氢”生产依旧靠化石能源

“绿色氢”指的就是以风力、太阳能等可再生能源电力电解水产生氢气，这种方式获得的氢气可以实现绿色零排放。

“蓝色氢”，甚至“绿色氢”，才是今后研究的重点。

阿贡国家实验室的研究人员指出，生产“绿色氢”需要大量淡水和大规模可再生电力才谈得上实用，这种方式制氢可能只有在冰岛等地热能丰富的国家才行得通。

“绿色氢”零排放

美国公司落地垃圾制氢

然而，目前已经有美国公司开始尝试商业化垃圾制氢，以实现“碳中和”排放甚至“负碳”排放。

垃圾制氢，并不是美国独创，欧洲氢能组织及日本科学界一直都在研究。

可以说，垃圾制氢是一种比较现实的技术路线。

可制氢的垃圾来源很多

农业残渣、林业残渣、城市固体废弃物等垃圾的主要构成就是有机物，通过大于700℃的生物质气化技术，最后生成氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和灰分(炉渣)。

一氧化碳、甲烷等再进行变换反应，生成二氧化碳和氢气，最后通过吸附剂或其他特殊材质将氢气和二氧化碳分离，就可以得到纯净的氢气。

生物质气化技术

目前，美国Ways2H公司就和日本蓝色能源公司（JBEC）合作，引入了成熟的日本技术，在美国加州建立了垃圾制氢工厂。

Ways2H公司采用的垃圾制氢方法，根据实际情况调整了一些环节。

Ways2H公司的垃圾制氢设备

比如先将垃圾中不含碳和氢的物质（比如玻璃和金属）剔除，然后干燥切成0.5-3厘米的碎片再进行气化，在气化时，温度控制在650℃左右。

最终，装有吸收材料的储罐可以将二氧化碳吸收，剩下的氢气就能过滤出来了。

根据垃圾的不同，每吨进入反应炉的垃圾会产生30-120公斤不等的氢气，一般情况下会稳定在40-50公斤。

Ways2H 公司

目前Ways2H的工厂提供两种制氢方案，一种是移动解决方案，每天只能处理1吨垃圾；另一种是固定解决方案，每天可处理8-50吨垃圾。

Ways2H公司创始人兼CEO金德勒提到，由于原料来源复杂，反应炉温度较难控制，他们还使用了小型陶瓷珠，这些陶瓷珠与垃圾一起进入反应炉，起到稳定炉内温度的作用。

Ways2H公司创始人兼CEO金德勒

另外，金德勒还说，制氢过程中释放的二氧化碳量等于垃圾原料中的二氧化碳量，而通过捕捉和封存释放的二氧化碳，整个过程就能实现“负碳”。

除了Ways2H公司，越来越多的美国公司也看到了其中的商机。

佛罗里达州的Standard Hydrogen公司也加入到了商业制氢领域，他们用的同样是垃圾，但偏向于城市固体废物。

轮胎、塑料、纸张、床垫等固体废物与液态硫混合，其中硫与废物中的氢结合生成硫化氢，同时也会和碳或者其他化合物结合，生成无毒易处置的副产品。

最终，通过回收硫化氢分解出氢气，而剩下的硫则继续回到生产循环中。

目前，Standard Hydrogen公司已经推出了试验版本的反应炉，计划在2021年将工厂投入使用。

加氢站

垃圾制氢的一举两得

从制氢成本看，目前用垃圾制氢还谈不上划算。

金德勒说，目前测算下来，垃圾制氢的成本大约是5美元（35元人民币）/公斤，5年内有望降到3美元（21元人民币）/公斤。

而Standard Hydrogen公司预计，其生产氢气的成本价为4-5美元（28-35元人民币）/公斤。

化石燃料制氢便宜但排放高

“灰色氢”的成本显然更低，以煤炭、天然气制氢，成本不到2美元/公斤。

虽然垃圾制氢显然还有一大段“降成本”的路要走，但若考虑到用风能或太阳能等再生电力电解水制氢，成本高达11-16美元（77-112元人民币）/公斤，垃圾制氢的优势还是非常明显。

况且，垃圾制氢的意义不只在制氢，还能有效处理垃圾。

城市垃圾填埋场，是美国与人类相关的第三大甲烷排放源，约占美国甲烷排放的14%。

比如美国洛杉矶的普恩特山垃圾填埋场，尽管近十年来都没有接收新垃圾，但它依然是全美最大的垃圾场，目前还有1.3亿吨垃圾。

美国普恩特山垃圾填埋场

每隔一分钟，这个垃圾填埋场就会释放出约850立方米的填埋气，主要是微生物作用下产生的二氧化碳和甲烷，大部分填埋气会被管网回收，用于生产电力，但垃圾还是被浪费了。

2016年，美国能源部的报告显示，美国每年会产生大约10亿吨包括垃圾在内的干燥生物质，足够生产5000万吨的氢能源，而这些氢能源如果能够完全生产和使用，将可能替代美国90%的汽油消耗。

金德勒说，他利用垃圾作为原料生产氢，其中一点原因就是希望能够解决垃圾问题，如果可以，今后说不定人类就不需要普恩特山这样的垃圾填埋场了，垃圾将得到妥善处理，能源也将更加清洁，这是帮助地球摆脱现在环境困境的一大机会。

Wired：Will the Hydrogen Revolution Start in a Garbage Dump?

Hydrogen Europe：HYDROGEN FROM BIOMASS

Waste360：Standard Hydrogen Offers Alternative Transportation Hydrogen Fuel to Existing Hydrogen Products

Recharge News：'It's much cheaper to produce green hydrogen from waste than renewables'