催化气体净化在氢能价值链中的核心作用（长文）
德国赖克特催化科技有限公司（ReiCat GmbH）首席运营官索菲亚・赫夫林（Sophia Höfling）最新文章：催化气体净化在氢能价值链中的核心作用。
氢能行业正处于变革之中：从灰氢向绿氢和蓝氢的转变，对气体净化提出了新的要求。催化气体净化可确保气体在生产、运输和使用后仍保持高纯度的氢气（H₂）和二氧化碳（CO₂）。
在许多应用中，例如交通出行或化学工业领域，极高的气体纯度是必不可少的。使用新研发的催化气体净化系统，能够可靠地将氧气、湿气或一氧化碳等杂质降至百万分比（ppm）级别，从而确保氢气和二氧化碳在整个价值链中的可用性。
几十年来，氢气在工业中一直是一种不可或缺的工业气体。它主要用于制造化肥用氨，还应用于加氢工艺、甲醇生产以及香料合成等领域。在炼油厂中，氢气也扮演着核心角色，例如用于燃料脱硫和重质烃的加氢裂化。
到目前为止，为这些工业应用提供的氢气几乎完全来自化石燃料，特别是通过天然气蒸汽重整（Steam Methane Reforming, SMR）获得，还有少量来自氯碱电解的副产品。天然气蒸汽重整的结果是产生大量的二氧化碳排放。
然而，在全球脱碳战略的推动下，氢能行业正面临着深刻的变革。其目标是用更气候友好的替代品取代通过蒸汽重整获得的所谓灰氢，
从脱碳角度，最主要的是蓝氢和绿氢。
在蓝氢的生产过程中，仍然使用天然气，但产生的二氧化碳会被捕获并要么储存起来（碳捕集与封存，CCS），要么进一步利用（碳捕集与利用，CCU）。
而绿氢则是在所谓的 “电力到 X”（Power-to-X, PtX）系统中，通过使用可再生能源电力电解水产生的，完全不产生二氧化碳排放。
但绿氢的作用并不仅限于替代化石燃料制氢。在未来的能源系统中，它将作为一种灵活、可储存和可运输的能源载体，发挥关键作用，在日益波动的电力市场中平衡供需。
此外，新的应用场景也在不断涌现。纯氢或其化学衍生物可以替代钢铁生产（例如通过直接还原法）或重型运输（例如通过燃料电池或电子燃料）中的化石燃料。
氢能行业的这一转型涉及价值链的各个环节，从生产、运输、储存到使用。
氢价值链中的气体净化
在整个氢价值链中，气体净化是一个不可或缺的流程步骤。氢气和分离出的二氧化碳在不同的工艺阶段都含有气态杂质，必须有针对性地去除。因为许多应用，特别是在交通和化学工业中，要求氢气的纯度达到 ppm 级别。如果没有合适的净化技术，气体的安全运输、可靠储存和过程安全的再利用都将无法实现。
在新氢能经济的整个价值链中，气体净化是一个不可或缺的流程步骤。氢气和分离出的二氧化碳在不同的工艺阶段都含有气态杂质，必须有针对性地去除。
氢气和二氧化碳生产过程中的气体净化
通过电解获得的氢气通常含有残留的水分和氧气，因为水的电化学分解并非完全具有选择性。这些杂质虽然仅为 ppm 级别，但对许多后续工艺来说却存在问题：
残留水分在温度波动时可能会凝结，导致管道或储罐腐蚀。如果结冰，还可能因结冰而堵塞仪器。
残留氧气对下游工艺构成风险，例如在甲醇合成或平板玻璃生产中。
根据氢气的用途，净化方式必须相应调整：需要去除水分、氧气，或同时去除两者。
通过蒸汽重整产生的氢气，其杂质性质有所不同：这里通常会出现一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、甲烷以及水蒸气。
其中，一氧化碳的问题尤为严重，即使浓度极低，也会对燃料电池的催化剂产生毒害作用。对于交通领域的应用，例如燃料电池卡车，根据德国工业标准（DIN EN 17124），一氧化碳的浓度必须控制在≤0.2ppm。因此，气体净化在这里是必不可少的。
在蓝氢生产过程中分离出的二氧化碳也含有关键杂质：水分、氧气以及碳氢化合物（C1-C4）。如果这些二氧化碳要被进一步利用，例如用于合成燃料生产或作为食品添加剂（如碳酸），就必须去除这些成分，以满足质量和安全标准。
管道取气点的气体净化
另一个气体净化的关键环节是管道运输。即使氢气在输入管网时已经过净化处理，在运输过程中仍可能再次受到污染，例如：
来自管壁的物质进入（例如在天然气管道改造后）
泄漏
与残留气体或湿气接触
德国国家氢能和燃料电池组织（NOW）受联邦数字和交通部（BMDV）委托开展的一项研究强调，特别是在加氢站，高气体纯度是必不可少的。
根据德国工业标准（DIN EN 17124），用于燃料电池应用的氢气中，氧气含量不得超过 5ppm，一氧化碳含量不得超过 0.2ppm。经过管道运输后，这样的纯度无法得到保证，因此必须在取气点通过净化装置来确保。
工业应用中的气体回收
在化学工业和金属加工中，氢气往往不会被完全消耗，只是受到了污染。通过气体净化，这种氢气在循环系统中可以回收高达 98%。这带来了多方面的好处：
降低运营成本
有助于提高资源效率和可持续性
减少对氢市场的依赖
采用催化剂技术的高效气体净化
上述所有净化步骤都基于一项共同的关键技术：催化气体净化。它用于将工业气体提纯至 ppm 级别。催化剂在这里充当 “化学媒介”，在低温下有选择性地将有机杂质转化为无害成分，从而实现最小的能源消耗。而催化剂本身不会被消耗。
由于催化剂具有高效性和长寿命，特别适合用于工业规模的工业气体净化。合适的催化剂选择取决于气体混合物和需要去除的杂质。在许多情况下，催化剂必须通过其他工艺或机械方法进行补充，例如通过吸附干燥去除水分，或通过低温技术去除氮气。
相关公司研发了自己的催化剂配方，并将其与其他技术相结合，应用于大型工业气体净化装置中。
为了去除电解产生的氢气中的残留氧气和水分，专门的装置采用模块化设计，使用脱氧催化剂和 / 或变温吸附干燥技术。
公司开发的电解氢气净化工艺：
第一步，残留的氧气在脱氧催化剂中与氢气反应生成水蒸气。随后，采用变温吸附法（TSA）对氢气进行干燥。在此过程中，水蒸气凝结为去离子水，通过闭环技术回流到电解槽中。与传统的变温吸附法相比，这种闭环循环将氢气损失从约 3% 降至几乎 0%。
通过模块化设计，净化步骤可以灵活调整：根据不同的应用，可以仅在装置中集成一个脱氧单元，或者仅集成一个变温吸附干燥器。
几十年来，德国公司已在氯碱电解领域应用了这项技术。其多套装置在全球各地的化工企业中运行。
目前，这些公司正越来越多地向 “电力到 X”（PtX）装置的运营商供货，这些装置对净化系统提出了新的要求：氯碱电解槽通常以高负荷稳定运行，而 “电力到 X”（PtX）装置则必须根据天气情况处理与电力相关的负荷变化。
为此， “HighFlex H₂技术”出现了，即使在流量大幅波动（低至 10%，个别情况下甚至 5%）的情况下，也能确保气体纯度始终保持在较高水平。
催化氢气净化的应用
“电力到 X”（PtX）领域的一个最新案例是与丹麦企业欧洲能源公司（European Energy）的合作，该公司是风能、光伏发电和 “电力到 X”（PtX）领域领先的项目开发商。
2025 年，欧洲能源公司在丹麦卡瑟（Kassø）建成了世界上最大的电子甲醇工厂并投入运营。该项目引进了一套气体净化装置，用于去除电解产生的氢气中的残留氧气，为甲醇合成做准备。
2025 年 5 月，欧洲能源公司（European Energy）在丹麦卡瑟（Kassø），靠近德国边境的地方，启动了一个欧洲的标杆项目：世界上第一座大型电子甲醇工厂。
该工厂由附近太阳能公园提供的太阳能驱动，每年将生产约 42,000 吨电子甲醇，作为航运和塑料生产中化石原料的气候友好型替代品。甲醇的买家包括乐高（Lego）、诺和诺德（Novo Nordisk）和马士基（A.P. Moller – Maersk）等公司。
甲醇合成所需的二氧化碳来自邻近的沼气厂，氢气来自电解。该项目安装了一套带有脱氧催化剂的氢气净化装置，用于去除氢气中含有的残留氧气。由于电解氢气中含有的残留水分不会影响后续的甲醇生产，因此在这种情况下不需要额外的干燥步骤。
结论
在新的氢能经济中，绿氢、捕获的二氧化碳、燃料电池和管道运输都扮演着核心角色，这对氢气和二氧化碳的气体质量提出了新的要求。催化气体净化因此成为可持续氢能经济的推动者。
（作者：索菲亚・赫夫林（Sophia Höfling），德国赖克特催化科技有限公司（ReiCat GmbH）首席运营官，公司位于盖尔豪森。chemanager-online）