绿氢出产的4大技能和未来面对的首要应战

氢能经济正处在上升阶段，估计全球对以氢作为能量载体的需求将从2019年的简直为零添加到2050年的24EJ/年。开展将首要会集在制作和运送职业，这将添加氢的继续非动力运用，如化肥和质料。DNV发布的ETO 2021包含影响氢运用的碳价格敏感性，这将导致需求进一步添加。

氢气是怎么出产制作的？

绿氢是经过电解效果出产的。在根本层面上，电解经过施加电流将水 (H2O)分解为氢气(H2)和氧气(O2)。下文将归纳四种首要的出产绿氢的技能。

为了满意日益添加的制氢需求，需求史无前例的产能晋级，包含棕氢、灰氢、蓝氢或绿氢出产。尽管一切 “色彩”都将在未来发挥效果，但归根到底，绿氢是最具可继续性且真实无碳的挑选。此外，绿氢还将支撑可再生动力的商业事例。大规划电解可在出产过剩期间以及电池储能、抽水蓄能和需求侧办理期间为平衡电力商场起到重要的支撑效果（其特征通常是价格较低或挨近于零）。 

1、碱电解 (AE)

AE是最老练的电解技能，在20世纪被广泛运用于运用水力发电出产氨气和化肥。AE的首要特点是运用混合氢氧化钾(KOH)的液体电解质来前进电导率。常压碱电解是最常见的方式，体系在常压条件下运转并发生氢气。还有氢气输出压力小于40bar的增压体系。许多运用需求增压氢气，与运用压缩机比较，更高的输出压力可节约本钱和动力。增压碱电解还可更好地呼应功率输入的改变（例如，来自可再生动力）。但这些优点的价值是功率略低，规划和保护更具应战性。 

2、质子交流膜(PEM)

最早的PEM电解槽用于潜艇制氧，但从本世纪初开端，它们就被用于出产商用氢气。PEM的特点是其固体电解质（膜）和快速呼应时刻，并且通常是增压的。尽管还不太老练，但这项技能已取得很大的前进，并逐步趋于老练。本钱大约比AE高30%，但功率适当。估计电堆寿数也将到达与AE类似的水平（70000-80000小时），并且跟着体系到达60000小时，挨近于完结这一方针；PEM现已以兆瓦规划布置，加拿大最大的制氢厂为20MW。 

3、固体氧化物电解 (SOE)

SOE现已完结商业化，近期的出资导致商场竞赛加重和产能晋级。这项技能首要因工作温度高 (500-900oC)、功率高以及运用蒸汽替代液态水而遭到认可。这项技能已商用，但在规划和老练度上仍远远落后于AE和PEM。电堆寿数仍约束在20000小时以内，并且需求下降本钱才能与AE和PEM竞赛。此外，电堆容量依然只要几千瓦，而AE和PEM超越1MW。

SOE的一个共同优势是，它可以运用蒸汽和CO2的共电解直接构成合成气，并经过蒸汽和空气的共电解生成氢气和氮气的混合物。后者与氨气出产相结合很有优势，既节约了空分设备的制氮本钱，又可运用余热出产蒸汽。SOE还可反向运转，充任燃料电池。 

4、阴离子交流膜 (AEM)

最不老练的技能是AEM，其仍处在研制阶段。体系在商业上可用，但只要2.4kW。这与出产氢气作为能量载体或质料所需的兆瓦级相差甚远。这项技能看起来很有远景，由于它与PEM有着类似的简略规划，但不需求重要原材料。首要问题是不安稳和寿数有限。到现在为止，测验仅超越2000小时，就显示出高度退化。一些改善或许会使寿数到达5000小时，但这是以下降功率为价值的。

技能开展趋势

可以说，AE由于其相对老练不会有更多的开展。但该项技能有着悠长的前史，动力转型或许会为其注入新的开展动力，其产能将会大幅添加，由于AE有必要跟上其他新式技能的脚步，尤其是PEM。

这两种技能都处于功能优化阶段，要点重视功率、寿数和本钱。尽管优化其间一个参数通常以献身其他参数为价值，但方针是下降氢气的均匀本钱(LCOH)。咱们的剖析标明，LCOH的首要驱动要素是电力耗费、出本钱钱和电堆退化。因而，制作商重视这些方面也就家常便饭了。

1、关于AE和PEM，更薄的膜可削减内阻，然后前进功率。更高的工作温度也可前进功率。

2、改善工厂设备平衡——供给电力、水和处理气体的设备将进一步前进功率。

3、下降本钱，办法是扩展容量。估计挨近吉瓦级的电解厂将完结规划经济。

4、晋级、标准化和改善制作工艺将进一步下降本钱。拼装现在是手动完结的，但可经过标准化的体系规划和产能晋级完结自动化。

5、进一步的改善包含将增压碱电解和PEM的工作压力添加到70bar。

在AE和PEM抢夺商业位置的一起，SOE现已过三家制作商进入商场。SOE的开展首要会集在前进电堆的安稳性和寿数、 扩展容量和下降本钱。电堆应经过尽或许削减热循环和防止二氧化硅等导致电极阻塞的杂质来前进寿数。经过添加电池面积、电池数量和电流密度，也可取得更高的容量。从理论上讲，制作>1MW的电堆不该存在严重妨碍，与现在<10kW的电堆比较添加明显。终究，仅在规划经济的基础上，本钱估计将下降50%。到2030年，这将使SOE可以与AE和PEM竞赛。

AEM依然需求最大程度的开展。该体系现在可商用，但规划太小，不具备商业可行性。在开端与其他电解技能竞赛之前，还需求大幅前进电堆寿数。因而，要点是取得安稳的膜，这现在约束了电堆寿数。

绿氢的绵长开展之路

当时，本钱竞赛力是绿氢面对的首要应战。在CO2价格较低的情况下，电解有必要与相对廉价的化石资源中的棕氢、灰氢和蓝氢竞赛。因而，化石燃猜中的氢气或许在建立氢气作为重要的能量载体方面发挥着重要效果。在某些时分，可再生动力和电解的晋级和本钱下降将使绿氢更具竞赛力，咱们估计这至少还需求十年时刻，并且本钱平价还取决于政府的支撑。可是，棕氢、灰氢或蓝氢的出资者应考虑到绿氢在其财物价值下降前将更具竞赛力的危险，尤其是在低本钱可再生动力可用于电解的区域， 由于电力本钱是绿氢的首要竞赛要素。

不同氢色彩的途径将取决于可用的资源、方针、碳价格以及出资者承当的危险——一切这些参数都会因区域而异。

电气化正在替代碳密集型能量载体的人物，并与绿氢竞赛！

一起，电气化正在替代碳密集型能量载体的人物，并与绿氢竞赛。人们普遍认为，关于中低加热温度工艺，热泵电气化是一种更有用、更廉价的脱碳挑选。这很或许适用于蒸汽和热水出产等低温(<100°C)运用，但并非一切工艺都相同合适进行电气化。咱们对荷兰工业的剖析发现，许多工艺可完结电气化，但需求进行雷厉风行的改造，并且显示出比氢转化更高的整体具有本钱。氢气可经过替换或改造天然气燃烧器来选用，而其他的工艺设备根本坚持不变。这些比如常见于枯燥或烘烤工艺，例如砖和陶瓷职业或玻璃熔炼。相同，炼油厂等的进口氢气流可相对容易地被绿氢或蓝氢所替代。

比较之下，将氢气直接运送到化肥出产等工艺更为杂乱，这儿终究将成为蓝氢和绿氢的重要商场。例如，尿素的出产运用来自蒸汽甲烷重整的碳和氮流，假如直接运送氢气将无法完结。这些应战为职业脱碳办法添加了更多的不确定性，并要求在评价最具本钱竞赛力的解决方案时选用更具体的自下而上办法。

电解槽原始设备制作商(OEM)对电价简直没有影响，因而绿氢本钱竞赛力的首要东西是规划经济和制作工艺的改善。这是制作商下降本钱开销的两大要点。跟着大规划电解方案不断添加，制作才能有必要前进以满意需求，规划也需求扩展。