绿氢制备技术现状如何，降本平价之路如何走？
绿氢制备技术现状如何，降本平价之路如何走？
氢气因其清洁无污染、热量高等优点，被誉为21世纪最具发展前景的清洁能源。根据氢气的来源，可以将氢气分为灰氢、蓝氢、绿氢。绿氢在制备过程中可以实现零碳排放量，因此也被称为最纯正的绿色能源。其中，电解水制氢作为目前最重要的绿氢制备手段之一，备受世界各国关注。
全球绿氢制取现状及预测
绿氢方面，欧洲、澳大利亚、美国受政策推动发展较为积极，拉美、非洲也有所布局。根据国际能源署《全球氢能回顾 2023》，目前已宣布的低碳氢项目多数为电解氢的绿氢项目，到 2030 年 70%以上的低碳氢生产可来自电解氢。
分区域来看，欧洲地区发展较为积极的为西班牙、丹麦、德国和荷兰，合计占欧洲绿氢总产量的 55%，主要受 IPCEI 项目和欧洲氢能银行的推动；澳大利亚依靠丰富的风光资源，到 2030 年绿氢产量有望达 600 万吨，并且有望实现绿氢出口；拉美地区已宣布的项目到 2030 年绿氢产量也有望达 600 万吨，其中主要集中在智利、巴西和阿根廷；美国主要受益于清洁氢生产的税收抵免(Clean Hydrogen Production Tax Credit)，至 23 年 9 月的前 12 个月宣布的电解槽项目产能达 9GW；中国方面，已宣布项目正在积极建设落地(约占总规划产量的 40%)；非洲地区，已宣布项目到 2030 年绿氢产量有望达 200 万吨，主要集中在肯尼亚、毛里求斯、摩洛哥、纳米比亚和南非，已有 9 个项目规划产能超过 1GW。
绿氢制备技术简述
第一类绿氢制备技术是水电解制氢技术。用绿电电解水生产绿氢是一种非常普遍的制氢技术，这类制氢过程中需要大量纯水。因为电解水制氢过程中若用低质水，会导致电极很快被腐蚀，缩短寿命。“电解槽中部分部件，如隔膜、催化剂、质子交换膜(PEM)和多孔传输层，都可能受到铁、铬、铜等水中杂质的破坏。这便要求电解水的电导率小于1微西/厘米，总有机碳小于50微克/升，也就是所谓的纯水。”曹卫球解释道。
电解水制氢究竟需要消耗多少水?曹卫球做了一番计算。如果绿氢每年总产量为2050万吨，则需消耗1.8亿吨纯水，也就是需要32个10万吨的海水淡化工厂，或者24个10万吨的自来水工厂提供超滤淡水，而每项方案都极为占地耗力。“在缺水地区，这些基础设施消耗的水将会和当地的生活用水、农业用水、工业用水形成恶性竞争。不但如此，建设此类基础设施会直接增加本区域的生态足迹、碳足迹以及温室气体排放总量和排污总量。”曹卫球表示。
如何降低生态和环境影响?曹卫球介绍了一种利用海水直接电解制氢的技术。其主要原理是将镍铁氢氧化物分层到硫化镍之上，硫化镍覆盖了镍泡沫芯。镍泡沫充当导体从电源传输电力，镍铁氢氧化物电极将水分离成氧气和氢气。在电解过程中，硫化镍形成保护阳极的负电荷层。正如两块磁铁的负端相互推挤一样，带负电荷的层会排斥氯离子，防止其到达核心部分的金属电极。2019年9月，一个初创企业团队应用类似的低成本电极保护材料提出了新一代电解水技术，其能效为98.7%，而传统电解槽的设备能效通常仅有70%~80%。这一技术的另一优点是电解槽通电产生氢气，断电产生氧气，氢气和氧气的产生有先后顺序，避免了氢氧直接反应发生爆炸的危险，也省去了分离膜的应用，从而大大简化了电解槽的构造、组装，降低了运行和维护成本。据研究人员估计，该设备的生产成本大约是现有技术的一半。
第二种技术是采用等离子体直接裂解的方法，从生物甲烷及高浓度污水(包括沼液)中生产氢气、氮气、一氧化碳、乙炔等气体和高纯度固体炭黑。该技术制氢过程中每生产一公斤氢耗电在1020千瓦时，对比今天市面上电解槽每生产一公斤氢的耗电量大于40千瓦时，节省了一半以上的电力。这种技术将捕集到的甲烷分解成了单质固体碳和氢气，纳米级固体炭黑被生产出来后立即包装成为一类高附加值的工品，实现了完美的碳捕集与封存和利用(CCUS)过程。另外，该技术不需要任何催化剂，仅需要普通工业气体、循环水和绿色电力即可。通过紧凑的撬装系统设计，1兆瓦产氢量1吨/日的系统仅占地5001000平方米。据曹卫球介绍，他正在积极推动相关各方共同搭建产业生态系统并落地试点该项目。
第三种技术是从空气中直接制氢。地球每天约有1200亿吨水蒸气从陆地和海洋进入到大气环流之中。这项技术将大规模水蒸气收集装置与电解水装置相结合，在阴极上产生的氢气可被收集管道存入存储装置。这一精巧的设计让电极产生氢气和氧气的过程被自然隔离开来，因此无需担心氢气和氧气相遇发生反应。另外，由于水蒸气的水质接近工业级纯净水，因此在沿海或者海洋环境下制氢无需海水淡化工厂和自来水厂的投入，大大节省了制氢成本。据曹卫球介绍，该技术在大规模生产过程中需要催化剂的帮助。目前研究团队正在沙漠地区矿区试点生产绿氢作为储能介质。据初步数据来看，沙漠地区生产一公斤氢耗电约需40~50千瓦时，这些电可由当地离网光伏和风电等发出的绿电提供。
绿氢降本空间
根据国际可再生能源署，长期的绿氢生产成本有望至多下降 85%，主要基于电力成本和电解槽设备资本开支的下降，以及电解槽运行效率的提升和优化设计。根据国际能源署，电解槽装机的成本至 2025 年较 2023 年有望降低 50%，至 2030 年有望降低超过 60%达到 600 美元/kW，从而使得在绿氢生产成本中电解槽的 CAPEX 成本份额降至约 25%。
电解槽的设计和构造：模块尺寸的增加和堆栈制造的增加对成本产生重大影响。将发电厂的装机容量从 1MW 增加到 20MW 可以将成本降低三分之一以上。此外，最佳的系统设计还取决于在效率和灵活性等方面驱动系统性能的应用。
规模经济：通过千兆瓦级生产线中的自动化流程增加电堆产量，从而实现成本的逐步降低。电堆成本在低产量下约占总成本的 45%，但在高产量下可以降至 30%。对于 PEM 电解槽来说，实现规模经济的临界点是每年生产 1000 套 (1MW)左右，可以使电堆制造成本降低近 50%。此外，可以通过系统组件和工厂设计的标准化来实现系统成本的节约。
减少稀缺材料用量：稀缺的原材料可能成为电解槽规模扩大的瓶颈，目前用于 PEM 电解槽的铱和铂产量仅能支持估计 3~7.5GW 的年产能，而预计到 2030 年电解槽年制造需求将达到约 100GW。解决方案包括降低 PEM 电解槽中贵金属的用量，此外阴离子交换膜(AEM)电解槽不需要此类稀缺材料。
提高运行效率和灵活性：从经济角度来看，电源在低负载时会带来巨大的效率损失，从而限制了系统的灵活性。具有多个堆栈和电源单元的模块化工厂设计可以解决这个问题。压缩还可能成为灵活性的瓶颈，因为它可能无法像堆栈一样快速地改变其生产率。解决这个问题的一种替代方案是采用集成工厂设计，通过优化和集成的电源和氢气存储来应对生产的变化。因此绿氢有望为电力系统提供显著的灵活性，在可再生能源的季节性储存中发挥关键作用。尽管这会带来显著的效率损失，但其为在严重依赖太阳能和风能等可变资源的电力系统中实现 100%可再生能源发电的必要基石。
工业应用：电解系统的设计和操作可针对特定应用进行优化，包括需要稳定供应和低物流成本的大型工业用户；可以获得低成本可再生能源的大型离网设施，但向最终用户提供氢气可能成本较高；需要小型模块来实现灵活性的分布式项目，可以通过降低物流成本来补偿每单位电解槽容量的更高投资。
学习率：研究表明燃料电池和电解槽的潜在学习率(learning rate)与太阳能光伏发电相似，可以达到 16%~21%。预计根据该学习率水平和符合 1.5°C 气候目标的部署路径，到 2030 年电解槽成本可能会降低 40%以上。
文章来源： 中国化工报，未来智库，联悦气体