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氫能經(jīng)濟(jì)正處于上升階段，預(yù)計全球?qū)渥鳛槟芰枯d體的需求將從2019年幾乎為零增長到2050年的24EJ/年。發(fā)展將主要集中在制造業(yè)和運輸業(yè)，這將增加氫的持續(xù)非能源使用，如化肥和原料。DNV發(fā)布的ETO 2021包括影響氫使用的碳價格敏感性，這將導(dǎo)致需求進(jìn)一步增加。
氫氣是如何生產(chǎn)制取的？
綠氫是通過電解制取的。在基本層面上，電解通過施加電流將水(H2O)分解為氫氣(H2)和氧氣(O2)。以下將總結(jié)綠氫生產(chǎn)的四大技術(shù)。
為了滿足日益增長的制氫需求，需要前所未有的產(chǎn)能升級，包括生產(chǎn)棕氫、灰氫、藍(lán)氫或綠氫。雖然所有的“顏色”都將在未來發(fā)揮作用，但歸根結(jié)底，綠氫是最可持續(xù)、最無碳的選擇。此外，綠氫還將支持可再生能源的商業(yè)案例。大規(guī)模電解可以在生產(chǎn)過剩和電池儲能、抽水蓄能和需求側(cè)管理期間對平衡電力市場起到重要的支撐作用(其特點通常是價格低或接近零)。
1、堿電解(AE)
AE是最成熟的電解技術(shù)，在20世紀(jì)廣泛應(yīng)用于水力發(fā)電生產(chǎn)氨氣和化肥。AE的主要特點是使用混合氫氧化鉀（KOH）液體電解質(zhì)來提高導(dǎo)電性。常壓堿電解是最常見的形式，系統(tǒng)在常壓條件下運行并產(chǎn)生氫氣。還有一個氫氣輸出壓力小于40bar的增壓系統(tǒng)。許多應(yīng)用程序需要增壓氫氣。與使用壓縮機(jī)相比，更高的輸出壓力可以節(jié)省成本和能源。增壓堿電解還可以更好地響應(yīng)功率輸入的變化（例如，可再生能源）。但這些好處的成本是效率略低，設(shè)計和維護(hù)更具挑戰(zhàn)性。
2、質(zhì)子交換膜(PEM)
最早的PEM電解槽用于潛艇制氧，但自本世紀(jì)初以來，它們一直用于制造商用氫氣。PEM的特點是其固體電解質(zhì)(膜)和快速響應(yīng)時間，通常是增壓。雖然還不是很成熟，但是這個技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，逐漸成熟。成本比AE高30%左右，但效率相當(dāng)。預(yù)計電堆壽命將達(dá)到類似AE的水平(7萬-8萬小時)，隨著系統(tǒng)達(dá)到6萬小時，接近實現(xiàn)這一目標(biāo)；PEM已經(jīng)部署在兆瓦規(guī)模，加拿大最大的制氫廠是20MW。
3、固體氧化物電解(SOE)
SOE已經(jīng)商業(yè)化，近期投資導(dǎo)致市場競爭加劇、產(chǎn)能升級。該技術(shù)主要是由于工作溫度高(500-900oC)、效率高、用蒸汽代替液態(tài)水而得到認(rèn)可的。該技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，但在規(guī)模和成熟度上仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于AE和PEM。電堆的使用壽命仍然限制在2萬小時以內(nèi)，需要降低成本才能與AE和PEM競爭。此外，電堆的容量仍然只有幾千瓦，而AE和PEM超過1MW。
SOE的一個獨特優(yōu)點是，它可以利用蒸汽和二氧化碳的共電解直接形成合成氣體，并通過蒸汽和空氣的共電解產(chǎn)生氫氣和氮氣的混合物。后者結(jié)合氨氣生產(chǎn)具有優(yōu)勢，不僅節(jié)省了空氣分離裝置的氮制造成本，而且利用余熱生產(chǎn)蒸汽。SOE也可以作為燃料電池反向運行。
4、陰離子交換膜(AEM)
最不成熟的技術(shù)是AEM，還處于研發(fā)階段。該系統(tǒng)在商業(yè)上可用，但只有2.4kW。這與生產(chǎn)氫氣作為能量載體或原料所需的兆瓦級相去甚遠(yuǎn)。這種技術(shù)看起來很有前途，因為它的簡單設(shè)計與PEM相似，但不需要重要的原材料。主要問題是不穩(wěn)定，使用壽命有限。到目前為止，測試僅超過2000小時，顯示出高度退化。一些改進(jìn)可能會使壽命達(dá)到5000小時，但這是以降低效率為代價。
技術(shù)發(fā)展趨勢
可以說，AE不會有更多的發(fā)展，因為它相對成熟。然而，該技術(shù)有著悠久的歷史。能源轉(zhuǎn)型可能為其注入新的發(fā)展動力，其產(chǎn)能將顯著增加，因為AE必須跟上其他新興技術(shù)的步伐，特別是PEM。
這兩種技術(shù)都處于性能優(yōu)化階段，注重效率、使用壽命和成本。雖然優(yōu)化一個參數(shù)通常以犧牲其他參數(shù)為代價，但目標(biāo)是降低氫氣的平均成本(LCOH)。分析表明，LCOH的主要驅(qū)動因素是電力消耗、投資成本和電堆退化。因此，制造商關(guān)注這些方面并不奇怪。
1、對于AE和PEM，較薄的薄膜可以減少內(nèi)阻，從而提高效率，更高的工作溫度也可以提高效率。
2、提高工廠設(shè)備平衡——供電、水和氣體處理設(shè)備的效率進(jìn)一步提高。
3、降低成本的方法是擴(kuò)大容量。預(yù)計接近吉瓦級的電解廠將實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
4、升級、標(biāo)準(zhǔn)化和改進(jìn)制造技術(shù)將進(jìn)一步降低成本。目前組裝是手動完成的，但可以通過標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)能升級實現(xiàn)自動化。
5、進(jìn)一步改進(jìn)包括將增壓堿電解和PEM的工作壓力增加到70bar。
在AE和PEM爭奪商業(yè)地位的同時，SOE已經(jīng)通過三家廠商進(jìn)入市場。SOE的發(fā)展主要集中在提高電堆的穩(wěn)定性和使用壽命、擴(kuò)大容量和降低成本上。電堆應(yīng)通過盡可能減少熱循環(huán)和避免二氧化硅等導(dǎo)致電極堵塞的雜質(zhì)來提高使用壽命。通過增加電池面積、電池數(shù)量和電流密度，也可以獲得更高的容量。理論上講，制造>1MW的電堆不應(yīng)該有重大障礙，這比現(xiàn)在的＜10W的電堆相比增長顯著。最后，僅在規(guī)模經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，成本有望降低50%。到2030年，SOE將與AE和PEM競爭。
AEM仍然需要最大程度的發(fā)展。該系統(tǒng)目前可以商業(yè)化，但規(guī)模太小，沒有商業(yè)可行性。在開始與其它電解技術(shù)競爭之前，有必要大大提高電堆壽命。因此，重點是獲得穩(wěn)定的膜，這限制了電堆壽命。
綠氫的漫長發(fā)展
目前，成本競爭力是綠氫面臨的主要挑戰(zhàn)。在二氧化碳價格較低的情況下，電解必須與相對便宜的化石資源中的棕氫、灰氫和藍(lán)氫競爭。因此，化石燃料中的氫氣可能在建立氫氣作為重要能量載體方面發(fā)揮重要作用。在某些情況下，可再生能源和電解的升級和成本降低將使綠氫更具競爭力。我們預(yù)計至少需要十年時間，平價成本取決于政府的支持。但棕氫、灰氫或藍(lán)氫的投資者應(yīng)考慮綠氫在資產(chǎn)貶值前更具競爭力的風(fēng)險，尤其是在低成本可再生能源可用于電解的地區(qū)，因為電力成本是綠氫的主要競爭因素。
不同氫“顏色”的路徑將取決于可用的資源、政策、碳價格和投資者承擔(dān)的風(fēng)險——這些參數(shù)將因地區(qū)而異。
電氣化正在取代碳密集型能量載體的角色，并與綠氫競爭！
與此同時，電氣化正在取代碳密集型能量載體的作用，并與綠氫競爭。人們普遍認(rèn)為，熱泵電氣化是中低加熱溫度工藝中更有效、更便宜的脫碳選擇。這可能適用于蒸汽和熱水生產(chǎn)等低溫（＜100°C）應(yīng)用，但并非所有過程也適用于電氣化。對荷蘭工業(yè)的分析發(fā)現(xiàn)，許多過程可以實現(xiàn)電氣化，但需要進(jìn)行大刀闊斧的改造，這表明整體所有權(quán)成本高于氫所有權(quán)成本。氫可以通過更換或改造天然氣燃燒器來使用，而其他工藝設(shè)備基本保持不變。這些例子在干燥或烘烤過程中很常見，如磚和陶瓷工業(yè)或玻璃冶煉。同樣，煉油廠的進(jìn)口氫氣流相對容易被綠氫或藍(lán)氫所取代。
相比之下，將氫氣直接輸送到化肥生產(chǎn)過程更為復(fù)雜，最終將成為藍(lán)氫和綠氫的重要市場。例如，尿素的生產(chǎn)使用來自蒸汽甲烷重整的碳和氮流。如果氫氣直接輸送，將無法實現(xiàn)。這些挑戰(zhàn)增加了行業(yè)脫碳方法的不確定性，并要求在評估最具成本競爭力的解決方案時采用更詳細(xì)的自下而上方法。
電解槽原設(shè)備制造商（OEM）對電價幾乎沒有影響，因此綠氫成本競爭力的主要工具是規(guī)模經(jīng)濟(jì)和制造技術(shù)的改進(jìn)。這是制造商降低資本支出的兩個關(guān)鍵點。隨著大規(guī)模電解計劃的增加，必須提高制造能力以滿足需求，擴(kuò)大規(guī)模。
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