氢能，因为其燃烧后只排放水，被视为未来的清洁燃料。包括日本、德国、韩国、澳大利亚、中国等在内的国家，在重构新能源体系过程中，都把“氢能源”放到重要战略地位。



但是，并非所有的氢能都是绿色的，这主要取决于氢气的来源。因为生产方式不同，商业制氢分为“灰色氢”、“蓝色氢”、“绿色氢”（点击可查看具体定义）。前两种氢来自化石燃料，也存在不同程度的二氧化碳排放。





只有“绿氢”，因为以风力、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，所以成为研究重点。



绿氢因为成本比较高，目前占比非常低，全球绿氢供应量占消费总量不到5%。绿氢成为叫好不叫座的产品。



目前，欧洲、美国、日本等地，突然流行垃圾制取氢气，这是一种比“绿氢”更环保的方式，而且成本更低，在一些地方还能获得额外的垃圾处理费，所以也可以称为“零成本”制绿氢。



这到底是一种什么技术，是如何运作的，让我们来了解一下。



1、一吨垃圾产出100公斤氢气



Boson Energy是一家总部位于卢森堡的科技公司。公司创始人包括Jan Grimbrandt 和Wlodzimierz Blasiak等，都是圈内牛人。



Jan Grimbrandt 是Boson的首席执行官，在工业和清洁技术能源领域内拥有广泛的知名度，他在创立Boson之前，曾创建过两家公司，分别是Mobotec Europe AB和Altoptronic AB，都是关于脱碳和控制污染之类的企业，后来卖给了 Nalco和西门子公司，获得了第一桶金。



Wlodzimierz Blasiak则是高温气化和燃烧领域备受尊敬的专家，在全职加入 Boson之前，他是瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院材料科学与工程系的教授，他的主要研究课题是低NOx燃烧、高性能工业炉的设计、富氧燃烧和高温气化等问题。



Boson公司声称，它们的任务就是解决世界垃圾问题，通过将不可回收的废物转化为可持续和有利可图的氢能和其他能源资源。



以零或更低的成本从不可回收的废物中生产负碳绿氢，是主推产品。他们认为，卖氢和其他附加产品的收入完全可抵消生产氢气的费用。



Boson开发了一种等离子体辅助气化过程，该过程利用极高的温度将废物分解成氢、二氧化碳和熔化的泥浆，这些泥浆会凝固成蓝色/灰色的玻璃状岩石。



Jan Grimbrandt 告诉媒体，这一过程将创造几个收入来源。氢气、“绿色二氧化碳”和玻璃岩将被出售以赚取利润，同时该公司还将从地方当局和回收公司获得处理垃圾的费用，以及避免垃圾填埋场甲烷排放的碳信用额。



尽管二氧化碳是一种温室气体，但它是各种行业使用的一种重要产品，包括碳酸饮料、食品加工、食品包装和温室，通常来自化石燃料。它还可以用来帮助固化水泥和其他建筑材料，这将固定二氧化碳，防止其释放到大气中。



这种惰性玻璃岩可用作水泥、混凝土和道路建设的工业集料。



这些收入来源基本上足以抵消氢气生产的成本，从而使零碳氢气的生产成本达到零甚至低于零。



根据Boson的说法，该工艺每吨废弃物将产生大约100公斤的负碳氢气，并且每吨所需的可再生电力只是水电解产生绿氢的六分之一。



全球每年约有20亿吨不可回收的垃圾被倾倒或焚烧，潜在市场是巨大的。



“欧洲每年有1亿吨垃圾被填埋，1亿吨垃圾被焚烧。所以这些废物中有2000万吨潜在的氢气。”Jan Grimbrandt 说。



欧盟委员会制定了到2030年生产1000万吨绿色氢气的目标，主要来自40GW的电解槽，并同时进口相同数量的绿氢。



Boson认为，从能源安全角度来看，让欧洲在当地从废物或生物质中生产氢气会更有意义，而不是像德国、荷兰和欧委会计划的那样，试图从世界其他地区进口氢气。



Boson公司目前正在欧洲各地(西班牙、德国、瑞典、挪威、波兰、荷兰和卢森堡)开发10个商业项目，这些项目包括在欧洲清洁氢联盟(ECH2A)的750多个符合欧委会标准的项目中。



这十个项目每年能生产6万吨负碳氢气。如果把这个容量放在电解槽下，基本上相当于1GW的风力电解槽。



Boson的愿景是与当地废物管理公司和市政当局合作，共同建设、拥有和运营小型、无污染的废物制氢工厂，每个标准设施的空间只有40*60平方米，每年生产3500吨清洁氢气。



Boson计算出，要将全球每年20亿吨未循环利用的废物全部转化为氢气，需要6万家这样的分布工厂。如果所有的氢气都被用来驱动电动汽车，将减少20%的全球与能源相关的二氧化碳排放。



Boson目前正与将提供设备和系统的合作伙伴公司合作，包括西门子能源、总部位于蒙特利尔的PyroGenesis、总部位于维也纳的RHI Magnesita、挪威绿色技术公司Haldor-Topsoe和美国霍尼韦尔公司。



2、垃圾制氢是如何运作的？



Boson基于25年发展设计的系统其实非常简单。主要是一套等离子体辅助气化过程。



粗略粉碎的废物进入一个垂直的反应器，由能够产生高达7000°C温度的电动等离子火炬从底部加热。



因为反应堆顶部的温度远远低于底部，因此废物在流向底部的过程中会经过不断增加的热区，每个温度区都发挥着自己的重要功能。



在最上面的区域，废物被干燥和加热。然后，它向下移动到更热的区域，在那里发生热解(在没有氧气的情况下通过加热分解)。生物可降解物质变成热解气体，是氢、一氧化碳和轻烃(主要是甲烷)的混合物。




在下一个区域，剩余的物质——碳和无机材料，被蒸汽气化，所有这些步骤中释放的气体结合成一种氢和一氧化碳的混合物。



然后，离开反应器的气体经过蒸汽重整和水煤气变换过程，将剩余的碳氢化合物和一氧化碳转化为额外的氢气和二氧化碳。最后一步是将合成气分离成氢气和二氧化碳。留下的是少量的剩余气体，由氮、一些二氧化碳和一小部分碳氢化合物组成，用作生产蒸汽的能源。



剩下的物质主要是无机灰和矿渣，落入底部的玻璃化室，在那里它被等离子火炬加热到1500-2000°C进入熔融状态。这种类似熔岩的液体被提取出来，冷却成一种惰性的玻璃状物质，Boson给它取了一个名字“IMBY岩石”。



在这个过程中，废物转化为氢气比直接焚烧显然更好。



在欧洲，通过焚烧垃圾发电可以防止甲烷垃圾填埋场的排放，但烧炉也会排放温室气体，包括二氧化碳和NOx排放，以及其他对人类健康有害的污染物。



特别是塑料垃圾燃烧会产生有毒污染物。大约12%的城市固体废物由塑料组成，当塑料燃烧时，会向大气中释放有毒气体，如二噁英、呋喃、汞和多氯联苯，由此释放的有毒物质对植被、人和动物的健康以及整个环境都构成了威胁。二噁英在庄稼和水道中停留，最终进入我们的食物，这是一种有毒化合物，可导致癌症和神经损害。



垃圾焚烧时，还会产生烟道气中存在的飞灰和堆积在焚烧炉底部的底灰。后者可以添加到沥青中，但前者是一种危险物质，必须在矿山或采石场进行处理和处置，并支付额外费用。



因此，从人类健康的角度来看，焚烧并不是一件好事。从经济角度来看，这也不是理想的。



在欧洲，垃圾处理公司，每处理一吨废物能赚取15-20欧元。如果从焚烧转向这套垃圾制氢工艺，将带来每吨20欧元至200欧元的利润。



3、垃圾制氢在全球突然火起来了



其实，除了Boson Energy公司，在美国、中国、日本、英国等地，也纷纷冒出诸多通过废弃物制取氢气的初创公司。



比如美国加州的Ways2H公司，成立于2019年，正在研发的氢气生产系统，使用的原料垃圾品种很多，木屑、城市垃圾、污水、污泥、医疗垃圾、飞机运营和乘客产生的垃圾，在公司的车间里都能变成氢气，1吨的垃圾可生产出40～50公斤的氢气。



Ways2H还和Element 2合作，计划在英国建立40座垃圾制氢站。



另一家总部位于华盛顿特区的SGH2 Energy公司，也是一家将废物转化为氢气的公司。



2020年5月，SGH2宣布，将联合加州兰开斯特市政府、日本氢工业气体公司岩谷在兰开斯特引入世界上最大的绿色氢生产设施。该工厂将采用SGH2气化技术，利用生物垃圾、生物质和循环水生产负碳氢。



作为该绿色制氢设施的接收方和共同所有者，兰开斯特市将帮助提供有保证的废纸原料，减少垃圾填埋场产生的甲烷，从而为该市节省垃圾填埋和填埋场空间成本，每吨约为50-75美元。



SGH2 则同意，十年内，每年向南加州各地的加油站出售3850吨“比绿色更环保”的负碳氢。这笔交易是迄今为止全球第一笔长期绿色氢气承购协议。



这座等离子增强型气化厂计划于2023年夏天投产，将由市政府和SGH2通过公私合作伙伴关系共同拥有。



今年1月，英国政府公布了一个最新的政府资助项目：提供500万英镑初期资金，支持高等院校、科研机构以及初创企业进行新技术研发，发展可回收生物质制氢和垃圾制氢。



与此同时，日本汽车制造商丰田、工业气体生产商岩谷彻和工程设计公司JGC也宣布，将合作研究塑料垃圾制氢技术，推动可持续氢经济发展。



中国企业也成为了垃圾制氢领域的“先行者”。2021年9月，东方电气集团东方锅炉股份有限公司与重庆市潼南区人民政府签订了垃圾发电耦合制氢及氢能示范项目合作意向书，将环保和氢能结合到一起，建成后有望成为中国首个商业化垃圾制氢示范项目。



4、变废为宝新途径



目前，垃圾处理方式主要是填埋或者焚烧发电，我国城镇生活垃圾焚烧最主要的技术是炉排炉和循环流化床炉焚烧，这类设备具有投资大、运行成本高的特点，多用于规模较大的城镇生活垃圾处理。东方电气负责垃圾发电耦合制氢及氢能示范项目的工作人员介绍，炉排炉焚烧和循环流化床焚烧过程中产生的化合物以及飞灰，容易对环境造成二次污染，项目选址落地越来越困难，垃圾如何实现低碳化处理尤为关键。



在此背景下，热解气化技术作为一种新型的生活垃圾处理技术，逐渐受到重视。上述人士表示，对垃圾进行热解气化具有优异的环保特性，可以有效降低化合物生成量并减少飞灰排放量，有机物分解为简单的气体分子形成一氧化碳和氢气，用作燃料或化工原料，实现生活垃圾处理的无害化、减量化和资源化。



据介绍，我国目前原生生活垃圾的平均含水量为50%-60%，过高的含水率不仅增加了垃圾焚烧企业后续烟气治理的成本，还降低了垃圾的发电量。而在垃圾气化制氢过程中，原生垃圾的含水量不影响物料气化，反而能够帮助提高合成气中有效气的含量。此外，城市生活垃圾中含有大量的碳氢化合物，是一种比煤等化石能源更适合气化制氢的原料来源。



他指出，目前国内已有许多地方在生活垃圾处理技术选择时指定采用热解气化技术。在碳达峰、碳中和背景下，伴随着我国氢能产业的发展，低碳清洁氢将迎来大规模应用需求，基于此，垃圾制氢的应用场景也日渐清晰，



5、经济、环保效益显著



垃圾制氢的经济效益如何？上述人士给记者算了一笔账：垃圾制氢的经济性评价包括制氢成本、设备折旧、税金、人工以及各项税费、合理利润，目前每千克氢气生产成本在合理的原材料价格和电价的前提下，煤制氢约10元/千克，天然气、石脑油、重油、甲醇制氢约17元/千克，工业副产氢回收提纯21元/千克，电解水制氢约30元/千克。



在不计算垃圾处理补贴的情况下，合成气净化、制备高纯氢工段氢气的制备成本为14.94元/千克，而在垃圾气化工段，纯氢制造成本为13.80元/千克。因此，生活垃圾制备高纯氢气的总生产成本约为28.74元/千克。在计算垃圾处理补贴的情况下，垃圾制氢的成本还会进一步下降。形成规模效应后，垃圾热解气化制氢的成本有望降到20元/千克以下，与天然气等化石能源制氢技术成本相当。由此可见，生活垃圾热解气化制氢技术很有应用潜力。



另外，相较化石能源制氢，生活垃圾制氢的碳排放更低，环保效益显著。上述人士表示：“利用垃圾制氢，每吨氢气减少的二氧化碳排放量约为23—31吨。垃圾制氢研发工作的开展，有望为垃圾处理技术开拓一条新的路径，也将成为垃圾填埋场区域环境综合治理的关键核心技术。”



6、有效提升企业收益



2019年7月，财政部表示，一方面，拟对已有项目延续现有补贴政策；另一方面，考虑到垃圾焚烧发电项目效率低、生态效益欠佳等情况，将逐步减少新增项目纳入补贴范围的比例，引导通过垃圾处理费等市场化方式对垃圾焚烧发电产业予以支持。



据了解，我国垃圾焚烧企业主要收益由两部分组成，一是垃圾处理费，即每处理一吨垃圾，政府需要支付费用，业内平均价格在50-80元不等。二是上网电价收入，数据显示，2018年垃圾焚烧发电企业吨垃圾平均上网电量均值为283千瓦时，执行统一标杆电价0.65元/千瓦时。这意味着即吨垃圾的处置收益除了补贴以外，不到200元。面对补贴逐步退坡，垃圾发电企业亟待提升垃圾处理效益，以应对生存困境。



目前，正常情况下燃料电池用高纯氢气的价格在55-60元/千克，因此，与垃圾焚烧相比，利用热解气化技术处理城市生活垃圾不仅能对城市生活垃圾进行大规模减量化，还能在处理垃圾的同时生产附加值高的燃料电池用氢气，有效提升垃圾发电企业收益。



在德国、日本、美国等国家，生活垃圾热解气化技术的应用已经从中温气化发展到了环保性更好的高温气化，而热解气化技术在国内还不够成熟，产业化应用仍处于起步阶段，需要持续关注。

原标题：一吨垃圾可产100公斤氢气，零成本制绿氢实现变废为宝，前景可观