氢

气候变化是当今世界面临的重大挑战。越来越多的国家承诺实现净零二氧化碳排放²)排放，以限制温度上升。大幅减排在技术上是可行的，在经济上也是负担得起的。

过去曾有过几次对氢的兴趣。这主要是由于油价冲击、对石油需求峰值或空气污染的担忧，以及替代燃料的研究。氢可以通过提供不同供应链、生产商和市场的另一种能源载体，为能源安全做出贡献;这可以使能源结构多样化，并提高系统的弹性。氢在燃料电池中使用时，除了水没有其他排放物，还可以减少空气污染。它可以促进经济增长和创造就业机会，因为从工业原料发展成能源载体需要大量投资。

能源转型要求发电从化石燃料向太阳能和风能等可再生能源进行重大转变，提高能源效率，并广泛实现能源使用的电气化，从汽车到建筑物的供暖和制冷。

绿色氢在不断增长和可持续的可再生能源发电与难以通电的行业之间建立了联系。一般来说，氢是远离电网或需要高能量密度的应用的合适能量载体，它可以作为化学反应的原料，以生产一系列合成燃料2021欧洲杯单场彩票007胜胜和原料。

绿色氢的其他好处包括:额外的系统灵活性和存储潜力，支持进一步部署可变可再生能源(VRE);促进能源安全;减少空气污染;以及其他社会经济效益，如经济增长和创造就业机会，以及产业竞争力。

绿色氢是一种能量载体，可用于许多不同的应用(图1)。然而，其实际用途仍然非常有限。2021欧洲杯单场彩票007胜胜全球每年生产约1.2亿吨氢，其中三分之二是纯氢，三分之一是与其他气体混合的氢。氢产量主要用于原油精炼、氨和甲醇合成，这两项加起来几乎占纯氢和混合氢总需求的75%。

今天的氢气生产主要是基于天然气和煤炭，两者加起来占总产量的95%。电解产生的氢约占全球的5%，是氯生产的副产物。

图1中,整个能源系统的绿色氢气生产、转换和最终使用

氢可以通过多种工艺和能源生产;为了便于讨论，颜色代码命名法正被普遍使用(图2)。

图2氢的选择阴影

在不同色调的氢中，绿色氢(指从可再生能源中产生的氢)是最适合完全可持续能源转型的氢。生产绿色氢的最成熟的技术选择是可再生电力作为燃料的水电解。其他以可再生能源为基础的生产氢的解决方案也存在。然而，除了沼气SMR，这些技术在商业规模上还不成熟。通过电解的绿色制氢与净零路线一致，可以利用部门耦合的协同效应，从而降低技术成本，为电力系统提供灵活性。低VRE成本和技术改进正在降低绿色氢的生产成本。由于这些原因，水电解产生的绿色氢越来越受到人们的关注。

绿色氢与化石燃料和其他种类的氢竞争。因此，了解决定绿色氢成本的因素是很重要的。

绿色氢的生产成本取决于电解槽的投资成本、电解槽实际使用量的容量因子，以及可再生能源发电的成本。

到2020年，碱性电解槽的投资成本约为750-800美元/千瓦(kW)。如果绿色氢气设施的容量因子较低，例如低于10%(每年低于876个满载小时)，这些投资成本将分配到少数氢气单位中，转化为5-6美元/公斤或更高的氢气成本，即使电解槽以零电价运行。相比之下，灰色氢气的成本约为每千克氢气1-2美元(考虑到天然气的价格区间约为每千兆焦耳1.9 - 5.5美元[GJ])。然而，如果负载系数较高，投资成本对每公斤绿色氢成本的贡献较小。因此，随着设备负荷率的增加，电解槽投资成本对最终每公斤制氢成本的贡献下降，电价成为更相关的成本组成部分。

在给定的电价下，氢的最终成本取决于这一过程的效率。例如，电解槽效率为0.65，电价为20美元/兆瓦时(MWh)，总成本中的电力部分将上升到30美元/兆瓦时氢气，相当于1美元/千克。

考虑到目前电解槽成本相对较高，需要低成本的电力(大约20美元/兆瓦时)才能以与灰色氢相当的价格生产绿色氢。绿色氢气生产商现在的目标是使用不同的策略降低这些成本(IRENA，即将出版)。一旦电解槽成本下降，就有可能使用成本更高的可再生电力来生产具有成本竞争力的绿色氢。

运输氢气会产生额外的成本。运输成本是运输量、距离和能量载体的函数。在低产量情况下，用卡车运输压缩氢1000公里的成本约为3.5美元/公斤。对于大量生产，运输绿氨是成本最低的选择，每公斤氢气只增加0.15美元(不考虑转化成本，即裂解)。在短距离上使用大型管道(每天约2000吨)也能实现类似的低成本。通过管道运输氢气的成本是电力运输成本的十分之一。

今天的成本和性能并不适用于所有的电解槽技术(见表1)。碱性电解槽和PEM电解槽是最先进的，并且已经商业化，而每种技术都有自己的竞争优势。碱性电解槽的安装成本最低，而PEM电解槽占地面积更小，同时具有更高的电流密度和输出压力。同时，固体氧化物具有最高的电效率。由于电池堆只是电解槽设施占地面积的一部分，与碱性电池相比，PEM电池堆占地面积减少了约60%，相当于设施占地面积减少了20%-24%，使用PEM的1gw设施占地面积估计为8公顷(公顷)-13公顷，而使用碱性电池的占地面积为10公顷-17公顷。随着时间的推移，随着创新和不同电解技术的大规模部署，成本和性能方面的差距有望缩小。

表1:目前和2050年四种电解槽技术的主要性能指标。

图3、不同等级电解槽的基本部件

电解槽技术

水电解的原理很简单，但它允许基于不同的物理化学和电化学方面构建不同的技术变体。电解槽通常分为四种主要技术。这些是根据电解液和操作温度来区分的，这反过来又将指导不同材料和组件的选择。

所有商业上可用的电解电池的原理如图6所示。每种技术中都存在许多变化，最根本的差异与单元设计、组件内部的变化和技术成熟度有关。

固体氧化物和阴离子交换膜(AEM)具有很高的潜力，但技术还不够成熟，只有少数公司和原始设备制造商(oem)参与其制造和商业化。这些公司大多设在欧洲。

电解槽有四种类型:碱性和聚合物电解质膜(PEM)已经商业化，而阴离子交换膜(AEM)和固体氧化物，目前已处于实验室规模，有望向前迈进一大步

图4不同类型的商业可用电解技术。

因此，水电解电池的基本原理是由电解液隔开的两个电极组成。电解液是负责将产生的化学电荷(阴离子(-)或阳离子(+))从一个电极传输到另一个电极的介质。在碱性类型中，负责运输oh -阴离子的电解质通常是高浓度的氢氧化钾溶液。电极和产生的气体被一个多孔无机隔膜(也称为分离器)物理分离，该隔膜可渗透到KOH溶液中。在PEM、AEM和固体氧化物电解槽中，电极由电子绝缘固体电解质分离，该固体电解质负责将离子从一个电极传输到另一个电极，同时物理分离所产生的气体。对于这些，不需要添加液体电解质溶液，离子运输发生在PEM, AEM或固体氧化物组件内。

表2总结了四种电解槽的操作条件和最重要的部件。彩色的单元格表示不同制造商或研发机构的条件或组件有显著差异。在这方面，它也给人一种不太成熟的技术的感觉，这是明确的AEM和固体氧化物类型。

绿色制氢用水

绿色制氢使用水作为主要原料，可再生电力作为能源，在电解槽中将氢和氧从水中分离出来。

因此，尽可能纯净的水是关键的输入。虽然所需的纯度水平因技术而异，但水净化的成本是边际的，从淡化海水开始(远低于1美元/立方米的水)。然而，水中的杂质会对电解槽堆的寿命产生重大影响，这反过来又会通过增加电解槽的氢成本年费来影响氢成本。除海水淡化成本外，电解堆中的任何水处理都需要额外的成本(例如去离子剂)。这可能会变得很重要，这取决于所需的纯度水平，但对氢的总体成本影响仍然很小，因为一般来说，它们保持在 1美元/m3左右，或低于 0.01美元/kg H2。

用水并不是扩大电解的障碍。即使在水资源紧张的地方，海水淡化也可以在成本或效率上受到有限的影响

从纯化学计量学的角度来看，1千克氢需要9千克水作为输入。然而，由于该过程中的一些低效率，考虑到水脱矿过程，在典型的水消耗下，每公斤氢的比例可以在18公斤到24公斤之间。最大的耗水实际上是上游，当电解槽与PV耦合时，耗水最高。根据太阳辐射、寿命和硅含量的不同，每公斤氢消耗22到126公斤水。水资源短缺对一个地区来说是高度特定的，因为它比较了该地区的水使用和水的补充，所以当水资源紧张地区有氢气生产时，需要进行当地影响评估。评估中点用水影响的方法之一是由联合国环境规划署- setac生命周期倡议工作组开发的可用剩余水(AWARE)方法。

就制氢对水可用性的影响而言，这显然不是一个问题，只要假设使用的是淡化海水。如果淡水是首选水源，则可以与目前火电厂的淡水消耗进行比较。考虑到一个非常大的1gw电解槽，每年以75%的效率运行8000小时，每年的氢气产量将是15万吨氢气和300万吨水(假设每公斤氢气使用20公斤水)。这相当于一个小城市(约7万居民)的人均用水量为45立方米。这一方案的可接受程度将取决于工厂所在地的供水情况，海水淡化仍然是工厂设计的一个关键选项，特别是在缺水地区。在氢战略中应明确考虑大规模制氢的水源，因为水量对缺水地区可能很重要。然而，海水淡化可以联合用于制氢以及其他用途(例如人类消费和农业)，通过推动在缺水地区部署多用途海水淡化设施，制氢有助于增加水供应。

在IRENA全球可再生能源展望的能源转型情景中，对于预期的19艾焦耳(EJ)绿色氢(约1.6亿吨[Mt])，到2050年，我们每年将需要约30亿立方米的水。这是目前全球淡水消耗量的0.08%。由于淡水被用于多种非能源用途(如农业)，更好的比较是目前热电厂的消费量，后者要高得多:例如，在2030年参考案例中，美国热电厂的估计用水量为58亿立方米。即使在更雄心勃勃的情况下，脱碳更快，氢气发挥更大的作用，与全球用水量相比，总体水需求也相对较小。此外，任何用于燃料电池运输目的或最终再电气化的绿色氢都将产生超纯水，在经济可行的情况下，特别是在固定应用中，可以回收。2021欧洲杯单场彩票007胜胜