探討氫電解技術(shù)及未來發(fā)展方向

根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，截至2040年，全世界范圍內(nèi)安裝的氫電解槽市場將增加1000倍。屆時(shí)，全球氫電解項(xiàng)目管道累計(jì)將達(dá)到213.5GW。相比之下，當(dāng)前運(yùn)行的電解槽容量僅為0.2GW。其中，歐洲是關(guān)注的焦點(diǎn)：目前大約85%計(jì)劃的氫氣電解槽管道項(xiàng)目集中在歐洲，而其中最大的份額在德國。但是，有一個(gè)問題：計(jì)劃并不意味著建成。只有時(shí)間能證明，今后實(shí)際能建造多少工廠。而2030年的數(shù)據(jù)則相對(duì)更具體：2030年前，歐洲有9GW的項(xiàng)目被計(jì)劃在德國，6GW的項(xiàng)目被計(jì)劃在荷蘭，而英國計(jì)劃建設(shè)4GW的電解槽產(chǎn)能。除了電解槽容量，氫電解項(xiàng)目的規(guī)模也在不斷擴(kuò)展：市場研究公司激光能源表示，目前項(xiàng)目規(guī)模約為1～10MW，但到2025年可能會(huì)達(dá)到100～500MW。在大多數(shù)情況下，用于生產(chǎn)氫氣的電能來自風(fēng)能，加上太陽能以及一小部分電網(wǎng)用電。大多數(shù)人在高中的第一堂化學(xué)課上就已經(jīng)知道了電解水反應(yīng)，但是水電解制氫作為能源轉(zhuǎn)型的能源儲(chǔ)存媒介和緩沖載體的偉大時(shí)代，可能要在不久的將來才能到來。波士頓咨詢公司預(yù)測，由于可再生能源生成的能量不穩(wěn)定，到2030年，儲(chǔ)能市場應(yīng)用需求在全球范圍內(nèi)將達(dá)到330GW。在這種情況下，“綠色的”，即生產(chǎn)電能過程中零碳排放的氫氣將發(fā)揮關(guān)鍵作用。電解的主力那么如何才能把電能轉(zhuǎn)化成氫氣呢？正是通過電解，將水分子電化學(xué)分解為氫氣和氧氣。然而，雖然反應(yīng)的基本原理都是一致的，但是技術(shù)過程的實(shí)現(xiàn)有很大的不同。電解槽中使用堿性介質(zhì)還是酸性介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生顯著差異：堿性電解是水電解過程中的主力，采用濃度高達(dá)40%的氫氧化鉀溶液可以獲得高純度的氫氣。電極、電池以及膜的價(jià)格相對(duì)低廉，具有長期穩(wěn)定性，效率高等優(yōu)點(diǎn)。這些特性以及電極不需要稀貴金屬等優(yōu)勢，使得堿性電解成為生產(chǎn)綠色氫氣的有希望的候選者。當(dāng)然，有利必有弊：堿性液體電解質(zhì)電解槽起動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間長，負(fù)荷響應(yīng)遲緩，且在一定低負(fù)載范圍內(nèi)電解效率將顯著降低。因此，堿性液體電解水有兩項(xiàng)重要的要求：既需要有技術(shù)可以處理多余的電力，并且通過負(fù)載控制的方式促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。質(zhì)子交換膜電解技術(shù)研究人員特別注意到了可以將兩個(gè)電池半電池彼此分隔開的膜：一方面，它必須盡可能具有離子滲透性，另一方面，它必須具有耐化學(xué)性，而且其工作溫度為80℃及以上并不罕見。此外，兩個(gè)電極“移動(dòng)”得越近，電池的電阻越低，因此隔膜的厚度盡可能保持“零距離”。但也有可能相反：質(zhì)子交換膜電解（簡稱PEM電解）在原理上是燃料電池中氫氣和氧氣反應(yīng)生成水互為逆過程。質(zhì)子交換膜在酸性環(huán)境中工作，它僅允許帶正電的氫離子穿過氣密的PTFE質(zhì)子傳導(dǎo)膜遷移到陰極，在陰極與電子結(jié)合形成高純度的氫氣分子（實(shí)際上不需要后續(xù)清潔）。而氧氣則被分離在陽極并用于各種使用目的。由于電極直接安裝在膜上，且整個(gè)系統(tǒng)采用聚合膜作為電解質(zhì)，質(zhì)子交換膜電解槽只需要純凈的蒸餾水。由于反應(yīng)條件劇烈，陰極材料通常使用載鉑碳材料，而貴金屬如銥或金屬氧化物則用于陽極側(cè)。與堿性電解相反，陰極幾乎沒有液態(tài)水。質(zhì)子交換膜電解不僅實(shí)現(xiàn)了高電流密度、高功率密度和高電解效率，而且還可以在部分負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)任何問題。質(zhì)子交換膜電解槽本身有更寬的負(fù)載范圍，靈活性更強(qiáng)，非常適合“緩沖”電網(wǎng)中的電壓峰值。然而，與久經(jīng)考驗(yàn)的堿性電解槽相比見表1，該技術(shù)仍然相對(duì)較新，長期以來一直僅限于小型固定式應(yīng)用。但這一現(xiàn)狀即將結(jié)束：在氫能繁榮的今天，越來越多重大項(xiàng)目正在積蓄勢能，例如，德國林德正在與能源存儲(chǔ)和清潔燃料公司ITMPower在德國薩克森-安哈爾特州的一個(gè)市鎮(zhèn)Leuna共同建造一個(gè)24MW的電解槽。該工廠是2021年初世界范圍內(nèi)最大的質(zhì)子交換膜PEM電解項(xiàng)目，預(yù)計(jì)將從2022下半年投產(chǎn)生產(chǎn)綠色氫，并通過公司現(xiàn)有的管道網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)工業(yè)客戶。為了簡單靈活地建設(shè)新的制氫工廠，蒂森克虜伯等設(shè)備制造商提供用于電解槽預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)撬裝模塊。電解技術(shù)的未來一個(gè)真正意義上的熱門話題是OEC固體氧化物電解：由于這里的反應(yīng)在非常高的溫度（500～850℃）下進(jìn)行的，因此分解水分子所需的能量更少。從原理上講，這個(gè)過程也被看作是一個(gè)逆向運(yùn)行的燃料電池，其中半電池被固體氧化物而不是膜隔開。鑒于工作溫度高，采用二氧化鋯等離子導(dǎo)體作為電解質(zhì)，在電池起動(dòng)時(shí)必須首先對(duì)其進(jìn)行加熱。這一過程甚至發(fā)生在地球之外：2020年，麻省理工學(xué)院將這些固體氧化物電解質(zhì)隨火星探測器一起送往那個(gè)紅色星球，以檢查該過程是否適合在太空中生產(chǎn)氧氣。還有就是氯堿電解：氫也可以從鹽水生產(chǎn)氯的副產(chǎn)品中產(chǎn)生，設(shè)備制造商在這方面已擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)專家的評(píng)估，該技術(shù)相對(duì)成熟，且其效率高達(dá)80%。大多數(shù)電解系統(tǒng)都采用預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)模塊，這些模塊可以輕松地進(jìn)行運(yùn)輸、安裝和互連，從而形成高達(dá)數(shù)百兆瓦或千兆瓦的不同系統(tǒng)規(guī)模。氯電解也可用于電網(wǎng)的穩(wěn)定，并滿足初級(jí)控制能源市場的所有要求，例如，能夠在30s或更短的時(shí)間內(nèi)在最大和最小負(fù)載之間實(shí)現(xiàn)切換。圖1德國2050年氫氣生產(chǎn)的預(yù)計(jì)成本-制造成本綠色電解制氫技術(shù)前景那么，我們已經(jīng)為能源轉(zhuǎn)型做好一切準(zhǔn)備了嗎？不完全是，極光能源研究的委托項(xiàng)目負(fù)責(zé)人對(duì)此表示擔(dān)憂：“綠色電解氫的成功將取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素，”這位能源專家說，“其一是電費(fèi)，因?yàn)殡娏Τ杀菊剂松a(chǎn)成本的最大部分。其二是二氧化碳平衡，這對(duì)于氣體能否被認(rèn)為是氣候友好具有決定性意義。”而德國只是處于該領(lǐng)域的中間位置：首先，德國的能源成本較高；其次，其碳強(qiáng)度尚未達(dá)到挪威、瑞典或法國的水平?！爸挥性谶@些國家，由市電供電的電解槽才能符合歐盟計(jì)劃的在2030年之前具有可持續(xù)性的綠氫的要求。”先生說。減少碳足跡的替代方案當(dāng)然是將電解與電網(wǎng)分離并直接使用由風(fēng)能、太陽能以及水能等可再生能源產(chǎn)生的綠色電能。此外，根據(jù)行業(yè)專家的說法，決定該工藝是否經(jīng)濟(jì)可行的另一個(gè)因素是：可能的電流密度，它直接決定了產(chǎn)生的氫氣量。然而，由于電壓過高，電極和電池會(huì)開始腐蝕，因此不能隨意增加電流密度，而必須建造更大或更多的電解電池。一般來說，質(zhì)子交換膜電解槽的電流密度（1000～2000mA/cm2）明