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将电力能源转化为气态的化学能源：氢能革命的关键技术越来越备受关注——无论是碱性电解水、质子交换膜（PEM）电解水还是高温固体氧化物电解电池，最传统的电化学过程都能让未来的世界成为可能。2021年，电解能力超过200GW的项目已被提上议事日程。但这些数字的背后是什么？又有哪些技术？今后的发展方向到底在哪里？ 本文刊登于PROCESS《流程工业》2021年第13期 《探讨氢电解技术及未来发展方向》 本文作者系德文版PROCESS编辑。 根据最近的一项研究，截至2040年，全世界范围内安装的氢电解槽市场将增加1000 倍。届时，全球氢电解项目管道累计将达到213.5GW。相比之下，当前运行的电解槽容量仅为0.2GW。其中，欧洲是关注的焦点：目前大约85%计划的氢气电解槽管道项目集中在欧洲，而其中最大的份额在德国。 但是，有一个问题：计划并不意味着建成。只有时间能证明，今后实际能建造多少工厂。而 2030年的数据则相对更具体：2030年前，欧洲有9GW的项目被计划在德国，6GW 的项目被计划在荷兰，而英国计划建设4GW的电解槽产能。 除了电解槽容量，氢电解项目的规模也在不断扩展：市场研究公司激光能源表示，目前项目规模约为1～10MW，但到2025年可能会达到100～500MW。在大多数情况下，用于生产氢气的电能来自风能，加上太阳能以及一小部分电网用电。 大多数人在高中的第一堂化学课上就已经知道了电解水反应，但是水电解制氢作为能源转型的能源储存媒介和缓冲载体的伟大时代，可能要在不久的将来才能到来。波士顿咨询公司预测，由于可再生能源生成的能量不稳定，到2030年，储能市场应用需求在全球范围内将达到330 GW。在这种情况下，“绿色的”，即生产电能过程中零碳排放的氢气将发挥关键作用。 那么如何才能把电能转化成氢气呢？正是通过电解，将水分子电化学分解为氢气和氧气。然而，虽然反应的基本原理都是一致的，但是技术过程的实现有很大的不同。电解槽中使用碱性介质还是酸性介质会产生显着差异：碱性电解是水电解过程中的主力，采用浓度高达40%的氢氧化钾溶液可以获得高纯度的氢气。 电极、电池以及膜的价格相对低廉，具有长期稳定性，效率高等优点。这些特性以及电极不需要稀贵金属等优势，使得碱性电解成为生产绿色氢气的有希望的候选者。 当然，有利必有弊：碱性液体电解质电解槽起动准备时间长，负荷响应迟缓，且在一定低负载范围内电解效率将显著降低。因此，碱性液体电解水有两项重要的要求：既需要有技术可以处理多余的电力，并且通过负载控制的方式促进网络稳定。 研究人员特别注意到了可以将两个电池半电池彼此分隔开的膜：一方面，它必须尽可能具有离子渗透性，另一方面，它必须具有耐化学性，而且其工作温度为80℃及以上并不罕见。此外，两个电极“移动”得越近，电池的电阻越低，因此隔膜的厚度尽可能保持“零距离”。 但也有可能相反：质子交换膜电解（简称PEM电解）在原理上是燃料电池中氢气和氧气反应生成水互为逆过程。质子交换膜在酸性环境中工作，它仅允许带正电的氢离子穿过气密的PTFE质子传导膜迁移到阴极，在阴极与电子结合形成高纯度的氢气分子（实际上不需要后续清洁）。而氧气则被分离在阳极并用于各种使用目的。 由于电极直接安装在膜上，且整个系统采用聚合膜作为电解质，质子交换膜电解槽只需要纯净的蒸馏水。由于反应条件剧烈，阴极材料通常使用载铂碳材料，而贵金属如铱或金属氧化物则用于阳极侧。与碱性电解相反，阴极几乎没有液态水。 质子交换膜电解不仅实现了高电流密度、高功率密度和高电解效率，而且还可以在部分负载范围内运行而不会出现任何问题。质子交换膜电解槽本身有更宽的负载范围，灵活性更强，非常适合“缓冲”电网中的电压峰值。然而，与久经考验的碱性电解槽相比见表1，该技术仍然相对较新，长期以来一直仅限于小型固定式应用。但这一现状即将结束：在氢能繁荣的今天，越来越多重大项目正在积蓄势能，例如，德国林德正在与能源存储和清洁燃料公司ITM Power在德国萨克森-安哈尔特州的一个市镇Leuna共同建造一个24MW的电解槽。该工厂是2021 年初世界范围内最大的质子交换膜PEM电解项目，预计将从2022下半年投产生产绿色氢，并通过公司现有的管道网络供应工业客户。 为了简单灵活地建设新的制氢工厂，蒂森克虏伯等设备制造商提供用于电解槽预制的标准撬装模块。 一个真正意义上的热门话题是OEC固体氧化物电解：由于这里的反应在非常高的温度（500～850℃）下进行的，因此分解水分子所需的能量更少。从原理上讲，这个过程也被看作是一个逆向运行的燃料电池，其中半电池被固体氧化物而不是膜隔开。 鉴于工作温度高，采用二氧化锆等离子导体作为电解质，在电池起动时必须首先对其进行加热。这一过程甚至发生在地球之外：2020年，麻省理工学院将这些固体氧化物电解质随火星探测器一起送往那个红色星球，以检查该过程是否适合在太空中生产氧气。 还有就是氯碱电解：氢也可以从盐水生产氯的副产品中产生，设备制造商在这方面已拥有数十年的经验。根据专家的评估，该技术相对成熟，且其效率高达80%。大多数电解系统都采用预制的标准模块，这些模块可以轻松地进行运输、安装和互连，从而形成高达数百兆瓦或千兆瓦的不同系统规模。氯电解也可用于电网的稳定，并满足初级控制能源市场的所有要求，例 如，能够在30s或更短的时间内在最大和最小负载之间实现切换。 图1德国2050年氢气生产的预计成本-制造成本 那么，我们已经为能源转型做好一切准备了吗？不完全是，极光能源研究的委托项目负责人Hanns Koenig对此表示担忧：“绿色电解氢的成功将取决于两个关键因素，”这位能源专家说，“其一是电费，因为电力成本占了生产成本的最大部分。其二是二氧化碳平衡，这对于气体能否被认为是气候友好具有决定性意义。”而德国只是处于该领域的中间位置：首先，德国的能源成本较高；其次，其碳强度尚未达到挪威、瑞典或法国的水平。“只有在这些国家，由市电供电的电解槽才能符合欧盟计划的在2030年之前具有可持续性的绿氢的要求。”Hanns Koenig先生说。减少碳足迹的替代方案当然是将电解与电网分离并直接使用由风能、太阳能以及水能等可再生能源产生的绿色电能。 此外，根据行业专家的说法，决定该工艺是否经济可行的另一个因素是：可能的电流密度，它直接决定了产生的氢气量。然而，由于电压过高，电极和电池会开始腐蚀，因此不能随意增加电流密度，而必须建造更大或更多的电解电池。   |
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