生产制取可持续的绿氢

分析各类制氢方式，绿氢是可持续发展的标准方法。绿氢完全利用可再生能源发电制取，比如太阳能、风能和水能，从生产到燃烧全过程零碳排放。 这也使得绿氢不同于其他颜色氢气，比如化石燃料燃烧产生灰氢。

电解水是绿氢制取的基础工艺，水分子被电解分成氢气和氧气。产能、效率、成本限制了绿氢产量的快速提升。

电解水是在电解槽中进行的电化学反应和离子运动过程。电解槽内置两个电极，电解质将阳极和阴极隔离开来。电解质为液态溶液（碱性电解槽）或固态膜（PEM电解槽），允许离子通过的同时阻止电子通过，务必基于离子的导电性、化学稳定性、电极材料的兼容性等因素慎重选择。

直流电直接施加在电解槽内的液态水上，阳极和阴极间出现电位差。在带正电的阳极上，水分子（H₂O）发生氧化反应，失去电子。生成氧气（O₂）和带正电荷的氢离子（质子，H+），同时释放的电子进入电解质溶液，质子交换膜（PEM）电解槽的化学反应如下：

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

电位差迫使H+质子流过电解质，向带负电的阴极运动。阴极上发生还原反应，质子接受电解质溶液中的电子，中和电荷，生成双原子氢气（H₂）：

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

整个电解反应包括阳极上的氧化反应和阴极上的还原反应，化学方程式如下：

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

过程效率直接关乎绿氢制取的经济可行性。影响效率的因素包括：

• 过程温度、过程压力，以及系统内水的纯度，均需精准测量
• 过电压条件，确保达到所需的化学反应速度 
• 内阻降低，受离子在电解质中运动阻力的影响 
• 物质传输限制，影响电极表面反应物的可用性 

优化上述因素需要仔细选择材料，合理设计电极结构，并且测量和控制相关参数。在现有电解槽技术中，PEM电解槽和碱性电解槽最为成熟，也最常见。

PEM电解槽的特点是使用固体聚合物膜作为电解质，同液态溶剂的电解质相比，优势明显，包括更高能效，快速响应输入功率变化，以及结构紧凑。因此，PEM电解槽特别适合利用太阳能、风能等间歇性可再生能源发电的应用场合，这类能源的输出功率波动较大。实验室及其他有高纯度要求的最终用户也会选用这种电解槽技术。

碱性电解槽使用液态溶剂的电解质，效率相对较低，但成本也较低，运行时间较长，同PEM电解槽相比，对水的纯度要求较低。因此，以成本和规模为主要考虑因素的大型绿氢制取装置更加青睐碱性电解槽技术。 

人们还在开发其他电解槽技术，包括高温或固体氧化物电解槽和阴离子交换膜。每种制氢技术各具优势，适合不同的应用。

在整个氢价值链中，绿氢是广受欢迎的可持续能源，但仍面临诸多挑战。

首先，电解水制氢的成本高昂，尤其是PEM电解槽制氢，远高于蒸汽甲烷重整或自热重整制取灰氢和蓝氢的成本。此外，氢气的能量密度低于天然气和其他化石燃料，氢能的单位能量成本高于化石燃料。

电解槽堆栈效率高，接近70 % ，固态氧化物电解池 (SOEC) 等新兴技术将具有更高的效率。同任何其他系统一样，工厂的整体效率不仅取决于使用的技术，还与氢气的冷却、干燥、处理和压缩装置的平衡运行相关。扩大电解水规模所需的可再生能源供给不足，需要大力投资基础设施建设。

同时在物流方面，输氢和储氢过程也非常复杂，需要专用管路、储罐等基础设施，确保满足高度易燃的化合物的使用要求。现有基础设施主要针对天然气设计，但氢气的性质特殊，无法与天然气共享。在所有元素中，氢原子的原子量最小。因此，双原子氢气应用需要高密封性的管道、阀门、密封垫圈，以防气体泄漏。氢原子渗透进入内部壳体结构会导致金属强度降低，降低应力阈值，加速材料开裂。

解决上述问题需要进行战略规划，需要国家和个体利益相关者的资金支持，还需要持续技术创新。在经济下行的大环境下，电解槽的部署却已开始加速。2022年，全球电解槽制氢产能接近11 GW，预计到2030年，产能将有望达到170...365 GW。

预计在未来几十年内，随着规模扩大、认知扩充和效率提升，电解槽制氢的成本将下降，技术不断优化完善。包括从可再生能源中获取更多的能量，回收运行过程中的固有能量损失。在转型过程中，相关技术将取得突破，积累大量经验，比如氢燃料电池，实际上是反向电解水过程。

除了制氢，氢能专用基础设施也至关重要。氢能替代传统化石燃料的应用范围越来越广，具体取决于氢能的分配方式，以及氢能向其他能源形式转换的方式。

预计在未来20至30年间，全球的氢能源需求将激增，得益于氢气作为能源载体的多重优势，以及为碳减排困难户服务的潜力。尤其是运输和电力行业，已经计划使用清洁绿氢替换化石燃料，作为能源载体。

在交通运输领域内，绿氢动力燃料电池为碳中和商业运输（比如卡车、公共汽车，甚至飞机）提供了前景广阔的解决方案。尤其适合远距离运输，承担长途运输任务的燃料电池电动汽车受续航里程、发电量和重量的限制。

在工业领域内，炼钢、水泥生产、合成氨等能源密集型生产过程使用氢能替换化石燃料，减少碳足迹。此外，电力行业预计将越来越多地利用绿氢储能，扩大可再生能源基础设施规模，解决太阳能和风能发电的间歇性问题，没有电池能量密度和能量衰减的担忧。

氢气掺入天然气分配系统，减少向大气排放二氧化碳。燃气灶、供暖系统、衣服烘干机，以及其他设备燃烧掺氢量高达20%的天然气，一般而言，掺氢量受到天然气基础设施的阈值限制。新设计的燃气轮机和燃气发动机的允许天然气掺氢量高达50%，用作电厂燃烧原料，小型燃气轮机完全使用氢气，不使用天然气。

西班牙跨国公用工程公司Iberdrola是勇闯先河的氢经济探路者，在全球范围内已有超60个绿氢项目成功落地。 项目涵盖化肥生产、环保合成氨、重型运输等诸多领域，展现了绿氢作为清洁能源解决方案的多重优势。

值得一提的是，Iberdrola公司正在建设欧洲最大的绿氢合成氨化肥工厂，力争减轻这一碳密集型产业对生态环境的影响。这一项目具有里程碑意义，凸显了在最具挑战性的领域内绿氢的脱碳潜能。

政府倡议对于提速绿氢转型至关重要。美国能源部（DOE）的掺氢计划 研究天然气掺氢的安全比例，并利用现有天然气管道运输，推进绿氢产业发展。这一计划重点关注管路的兼容性、材料的安全性，以及成本节约，使绿氢输气更加经济实惠、更具可扩展性。

绿氢是清洁能源转型的基础，随着技术的发展进步，其作用会越来越重要。释放潜能，首先必须解决现有生产、储存、运输，以及基础设施的挑战。需要进一步投资研发、国有和私营企业建立战略合作，同时政府出台支持政策。

可再生能源和氢能基础设施在逐步完善，电解水制氢效率持续提高，政策不断优化，绿氢制取成本会越来越低，解决了推广普及氢能应用的一大障碍。需要更多有长远视野的公司和更高级别的倡议，启动有宏伟目标的项目，推出创新的解决方案，为氢经济铺平道路，减少全球碳排放，实现更可持续的未来。