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氫能經(jīng)濟正處于上升階段，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)取得了很大的進步，逐漸成熟。成本比AE高30%左右，但效率相當。預(yù)計電堆壽命將達到類似AE的水平(7萬-8萬小時)，隨著系統(tǒng)達到6萬小時，接近實現(xiàn)這一目標；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)模和成熟度上仍遠遠落后于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。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。一些改進可能會使壽命達到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)備的效率進一步提高。
3、降低成本的方法是擴大容量。預(yù)計接近吉瓦級的電解廠將實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟。
4、升級、標準化和改進制造技術(shù)將進一步降低成本。目前組裝是手動完成的，但可以通過標準化的系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)能升級實現(xiàn)自動化。
5、進一步改進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的風險——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，煉油廠的進口氫氣流相對容易被綠氫或藍氫所取代。
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)濟和制造技術(shù)的改進。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，擴大規(guī)模。
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