綠色氫能綜述

電解水制氫是解決能源危機(jī)的重要制氫技術(shù)。在過去的幾十年里，電催化劑的設(shè)計(jì)和優(yōu)化取得了巨大的努力和突破。

純氫可以用作能量載體或者工業(yè)原料。它還可以與其他物質(zhì)相結(jié)合，生產(chǎn)所謂的氫基燃料和原料。氫基燃料和原料可以使用來自任何來源的氫來生產(chǎn)，無論是電、生物質(zhì)還是化石燃料，并且可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)、燃料電池和化學(xué)合成等過程應(yīng)用。也包括合成以碳和氫為主的甲烷、合成液體燃料和甲醇等衍生產(chǎn)品。還包括由氮和氫合成的氨，也可以用作化學(xué)原料或潛在的燃料。

近年來，不同的顏色被用來指代不同的氫氣生產(chǎn)來源。如：“黑色"、“灰色"和“棕色"分別是指從煤、天然氣和褐煤中生產(chǎn)氫。“藍(lán)色"通常用于從化石燃料中生產(chǎn)氫氣，通過使用CCUS等手段來減少二氧化碳排放。“綠色"是特指用再生能源電力生產(chǎn)氫氣。一般來說，對(duì)于來自生物質(zhì)、核能或不同種類的電網(wǎng)電力的氫，沒有特定的顏色區(qū)分。

氫被認(rèn)為是未來的替代能源載體，因?yàn)樗谫|(zhì)量基準(zhǔn)上具有更高的能量密度，以及帶來更少的環(huán)境問題，氫在宇宙中以不同的形式大量存在，并且它可以轉(zhuǎn)化為電力或有用的化學(xué)物質(zhì)。氫是宇宙中最輕的元素，沒有味道、顏色、氣味，在正常情況下無毒，其單位重量熱值分別是甲烷、汽油和煤高2.4倍、2.8倍和4倍。氫可以有效地轉(zhuǎn)化為電，反之亦然。它可以由生物質(zhì)和水等可再生材料生產(chǎn)，更最重要的是，在使用氫氣的所有過程中都是環(huán)保的。

由氫和氧構(gòu)成的水是自然間豐富的產(chǎn)氫資源。因此，如果提供足夠的能量，水分子可以分裂成氫和氧。水裂解過程可以通過不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。用于制氫的水分解可以基于這些能源中的任何一種和一些混合類型(結(jié)合兩種或多種能源)進(jìn)行。水分解制氫方法可以分為五種主要類型和混合形式，混合形式是指其中兩種或兩種以上類型的能源被用于制氫系統(tǒng)。從水中制氫的方法有基于電的電解、基于機(jī)械能的裂解(通過超聲化學(xué)方法)、基于光子的分解(光解或光電化學(xué)水分解)和基于熱能的裂解(熱化學(xué)循環(huán)和熱分解)。

電解是用水制氫簡(jiǎn)單的方法之一。它可以簡(jiǎn)單地概括為電能以氫和氧的形式轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。電解水在每個(gè)電極上有兩個(gè)反應(yīng)：陽極和陰極。陽極和陰極電極之間有一個(gè)隔離物（膜）以確保氫氧保持隔離。低溫電解(LTE)在70-90℃的溫度下進(jìn)行，而高溫電解(HTE)在700-1000℃的溫度下進(jìn)行，高溫電解耗電量會(huì)更少。HTE的優(yōu)點(diǎn)是，如果采用外部清潔熱源，可以實(shí)現(xiàn)接近零的溫室氣體排放。

水分解熱化學(xué)循環(huán)是以水分解為基礎(chǔ)的，通過一系列重復(fù)的化學(xué)反應(yīng)，利用中間反應(yīng)和過程中全部回收的物質(zhì)，使整個(gè)反應(yīng)相當(dāng)于水分子解離成氫和氧。熱化學(xué)循環(huán)要么只由熱能驅(qū)動(dòng)，稱為純熱化學(xué)循環(huán)，要么由熱能和另一種形式的能量(如電、光子等)驅(qū)動(dòng)，稱為混合熱化學(xué)循環(huán)。

對(duì)于淡水匱乏的國(guó)家來說，氫氣可以利用豐富的海水和太陽能生產(chǎn)出來。在H2/O2電解系統(tǒng)中電解海水最有前景的方法是使用氧選擇性電極。

氧反應(yīng)取決于電極材料而不是氯反應(yīng)，并且在低過電位下使用不同的電極材料。炎熱、沿海、極度干旱的地區(qū)有強(qiáng)烈的太陽輻射和強(qiáng)烈的陸上和海上風(fēng)力資源，是使用風(fēng)力渦輪機(jī)或光伏發(fā)電生產(chǎn)可再生電力的理想地域。由于這些地區(qū)有充足的海水和缺乏淡水資源，因此直接和選擇性地將海水電解分解為氫和氧是一項(xiàng)潛在的有吸引力的技術(shù)。

海水直接電解是一種越來越有吸引力的未來電/氫轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存技術(shù)。在可再生電力充足且過剩、淡水資源匱乏、但海水資源充足的地區(qū)，這將是有效的制氫方式。這種模式也為海上移動(dòng)和海上氫基發(fā)電應(yīng)用提供了足夠的優(yōu)勢(shì)。例如，可以為維護(hù)海上設(shè)施的水下和海上無人車輛提供動(dòng)力。與氫燃料電池相結(jié)合，可逆的海水電解方案也是可能的，它有望以氫的形式儲(chǔ)存多余的電力，更好的是作為附帶的過程，在燃料電池的反應(yīng)過程中可以形成純凈水。當(dāng)然基于可逆電解槽-燃料電池方案的能源效率，與更傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)相比，由此產(chǎn)生的淡水產(chǎn)量還是有限的。

堿水電解與可再生能源相結(jié)合，可以產(chǎn)生供最終需求方使用的氫氣，且可以作為儲(chǔ)能介質(zhì)整合到分布式能源系統(tǒng)中。與其他主要制氫方法相比，堿水電解方法簡(jiǎn)單，但目前效率仍然較低。水電解廣泛應(yīng)用的較大挑戰(zhàn)還在于其耐久性和安全性。

從工業(yè)電化學(xué)工程和電解槽發(fā)展的實(shí)際考慮來看，堿水電解仍然是一種較好的制氫手段。為了擴(kuò)大堿性電解的應(yīng)用，需要進(jìn)一步更多的研發(fā)工作來提高效率，如開發(fā)電催化劑來顯大幅低電化學(xué)反應(yīng)的阻力，開發(fā)電解質(zhì)添加劑、通過電極表面形貌改善和表面涂層來促進(jìn)電子和離子轉(zhuǎn)移并降低電極表面張力，當(dāng)然管理好氣液混合相中的氣泡阻力也尤為重要。

聚合物電解質(zhì)膜(PEM)電解發(fā)生在酸性環(huán)境的電解質(zhì)中，利用質(zhì)子交換膜傳輸質(zhì)子(H+)。PEM電解工作溫度為50-80°C，壓力小于等于30 bar，電流密度高于2A/cm2，能量效率一般為50-65%。PEM電解也是最有前景的生產(chǎn)綠氫的電解方法，因?yàn)樗哂信cAEW和SOE相當(dāng)?shù)母吣芰啃省?/span>PEM電解允許在高壓下產(chǎn)生高純度氫氣(高達(dá)99.999 vol %)，從而減少了對(duì)生產(chǎn)后氣體壓縮的要求。因此，通過PEM電解制氫也是商業(yè)應(yīng)用中較具吸引力的技術(shù)。

利用SOEC系統(tǒng)進(jìn)行高溫蒸汽電解制氫是一項(xiàng)很有前途的節(jié)能環(huán)保技術(shù)。降低工作溫度、開發(fā)電化學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性、耐久性是SOEC商業(yè)化的關(guān)鍵問題。

光催化是一種利用光子能量從水中產(chǎn)生氫的水分解現(xiàn)象。大多數(shù)光催化劑材料是由半導(dǎo)體材料制成的，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料有一個(gè)能隙，如果它被來自特定源的光子能量充電，就可以產(chǎn)生電子空穴。在固態(tài)或電化學(xué)PV電池以及光催化電池中，光生成的少數(shù)載流子被內(nèi)置場(chǎng)有效地推進(jìn)到多數(shù)載流子的一側(cè)，這些多數(shù)載流子與光生成的多數(shù)載流子一起流向接觸點(diǎn)或觸點(diǎn)和電解質(zhì)。因此，在其擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生的載流子的收集效率非常高。其次，在固體狀半導(dǎo)體電解質(zhì)器件和固態(tài)光伏電池中，對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體的高折射率來說，反射損失可能很大，但通過使用AR涂層可以將反射損失降到很低。因此，單結(jié)和多結(jié)固態(tài)光伏電池的總效率分別能達(dá)到24%和40%。

解耦水分解是一個(gè)新興的發(fā)展領(lǐng)域，重點(diǎn)探索如何分離電化學(xué)氧和氫的演變反應(yīng)：無論是空間上的，時(shí)間上的，還是兩者兼而有之都可以使用于產(chǎn)生氫的碳中性電解系統(tǒng)受益。目前已經(jīng)探索了許多類型的解耦電解系統(tǒng)。這些系統(tǒng)允許地球上含量豐富的（非貴金屬）催化劑以接近PEM電解系統(tǒng)中貴金屬催化劑的速率產(chǎn)生氫氣。根據(jù)不同的系統(tǒng)，更便宜的替代品可以取代隔膜，或者不需要隔膜。無膜生產(chǎn)加壓氫氣已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

OER和HER兩種催化過程都是提高水電解效率所必需的，并且需要從動(dòng)力學(xué)上加以改進(jìn)。目前，貴金屬被認(rèn)為是最重要的電催化劑。然而，主要的挑戰(zhàn)是珍貴的催化劑在地球上儲(chǔ)量有限，而且成本高，這就阻礙了技術(shù)的廣泛應(yīng)用。為了減少貴金屬的使用，已經(jīng)進(jìn)行了很多的研究，也采用了很多技術(shù)，例如通過用非貴金屬基催化劑取代貴金屬來改變材料成分和結(jié)構(gòu)。

綜上所述，通過推進(jìn)原子、分子和納米級(jí)材料的工程策略，在水裂解制氫電催化劑的設(shè)計(jì)方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。盡管在了解OER和HER的電催化過程方面取得了很大的進(jìn)展，但通過水分解電解最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)氫氣仍然存在一些挑戰(zhàn)。首先，開發(fā)在酸性介質(zhì)中具有高活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性能的非貴金屬OER電催化劑仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究和開發(fā)的領(lǐng)域。近年來，非貴金屬基碳化物、磷化物和硫族化物因其在堿性介質(zhì)中具有良好的OER性能而備受關(guān)注。然而，納米結(jié)構(gòu)的電催化劑在OER條件下的反應(yīng)過程中發(fā)生了物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的變化。因此，需要了解其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以確定真正的活性相和位置。

核能可以通過幾種方式產(chǎn)生氫：(1)利用核加熱天然氣重整；(2)利用核電對(duì)水進(jìn)行電解；(3)利用核反應(yīng)堆的小量熱能和大量電能進(jìn)行HTE（高溫電解）；(4)利用核反應(yīng)堆的大量熱能和小量電能對(duì)水進(jìn)行熱化學(xué)裂解。現(xiàn)有輕水反應(yīng)器僅適用于電解水，且效率<30%。

分離和純化氫的方法多種多樣。從粗氫中除去雜質(zhì)的過程以獲得純產(chǎn)品可以大致分為以下三步。

第一步：預(yù)處理粗氫去除對(duì)隨后的分離過程有害的特定污染物，并使其轉(zhuǎn)化為易于分離的物質(zhì)。第二步：去除主要和次要雜質(zhì)，以產(chǎn)生可接受水平的純氫。其中最主要的分離技術(shù)是變壓吸附(PSA)和變溫吸附（TSA）裝置，與其他分離方法相比，該裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于氫氣分離的各個(gè)領(lǐng)域。第三步：將氫最終凈化到要求的水平。這通常采用在液氮溫度下的低溫吸附方法或使用鈀膜提純技術(shù)，兩者都能夠?qū)㈦s質(zhì)降低到1ppm以下。

特別是在能源轉(zhuǎn)型的背景下，氫基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)的發(fā)展通常被認(rèn)為與更廣泛的經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)有關(guān)。氫的價(jià)值鏈涉及許多不同類型的技術(shù)和制造過程。預(yù)計(jì)在過渡階段，將氫摻混到天然氣的網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施中，也預(yù)計(jì)管網(wǎng)將以改造現(xiàn)有天然氣管道進(jìn)行跨境長(zhǎng)距離運(yùn)輸作為基礎(chǔ)。

目前，氫氣是通過現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)或?qū)ΜF(xiàn)有天然氣管道進(jìn)行改造，或通過專用純氫管道輸送的。已有的運(yùn)輸成本數(shù)據(jù)表明，與其他運(yùn)輸方式相比，管道具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，這也引出了加強(qiáng)了監(jiān)管的必要性。

氫主要用作運(yùn)輸燃料的經(jīng)濟(jì)模式所需的基礎(chǔ)設(shè)施與氫主要用作加熱燃料的經(jīng)濟(jì)模式有很大不同。目前還沒有主要的氫氣管網(wǎng)存在，也沒有商業(yè)運(yùn)營(yíng)的液氫運(yùn)輸船。氫作為能源轉(zhuǎn)型的主要支柱，利用現(xiàn)有的儲(chǔ)存和運(yùn)輸能力，可以較可靠地確保向可再生能源轉(zhuǎn)變期間的供應(yīng)安全。這樣，就可以隨著電網(wǎng)的擴(kuò)大而相對(duì)迅速和低成本地促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型。

今天，氫氣通常以氣體或液體的形式儲(chǔ)存在小型移動(dòng)和固定應(yīng)用的儲(chǔ)罐中。然而，未來大規(guī)模和洲際氫價(jià)值鏈的順利運(yùn)行將需要更廣泛的存儲(chǔ)方式選擇。例如，在出口的港口碼頭，可能需要在運(yùn)輸前的短時(shí)間內(nèi)周轉(zhuǎn)和儲(chǔ)存氫氣。汽車加氫站需要幾個(gè)小時(shí)的周轉(zhuǎn)儲(chǔ)氫時(shí)間，而幾天到幾周長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)氫將有助于用戶防止?jié)撛诘臍涔┬璨黄ヅ涑霈F(xiàn)。如果使用氫氣來彌補(bǔ)重大季節(jié)性變化下的電力供應(yīng)或熱需求，或提供熱（或電）系統(tǒng)更大的彈性，則需要更長(zhǎng)期和更大的存儲(chǔ)方式選擇。最合適的存儲(chǔ)介質(zhì)取決于要存儲(chǔ)的容量、存儲(chǔ)的持續(xù)時(shí)間、所需的放電速度以及不同選擇的地理可用性。

對(duì)于像氫這樣的新能源載體管道和輸送網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施尤為重要。雖然氫氣可以在當(dāng)?shù)鼗a(chǎn)，但它的儲(chǔ)存和分配方式和經(jīng)濟(jì)規(guī)模相關(guān)。氫的供應(yīng)在集中時(shí)更便宜。由于氫的體積能量密度相對(duì)較低，這相較于儲(chǔ)存和運(yùn)輸化石燃料更具挑戰(zhàn)性燃料。然而，它可以轉(zhuǎn)化為氫基燃料和原料，比如合成甲烷、合成液體燃料和氨，這些都可以利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行運(yùn)輸、儲(chǔ)存和分配。這可以減少接觸終端用戶的成本。一些由氫產(chǎn)生的合成碳?xì)浠衔锟梢灾苯犹娲鼈兊幕茉茨芰慨?dāng)量。如今，氨已經(jīng)被用作化學(xué)工業(yè)的原料，未來可能成為氫的長(zhǎng)途運(yùn)輸載體，或者本身被用作航運(yùn)部門的燃料。開發(fā)新的氫價(jià)值鏈的成功將取決于連接生產(chǎn)、運(yùn)輸、分配、存儲(chǔ)和最終用途基礎(chǔ)設(shè)施。這將需要許多不同的市場(chǎng)參與者協(xié)調(diào)投資，這對(duì)這些主體來說也可能是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

氫可以在幾個(gè)方面支持能源安全。當(dāng)氫氣與電力基礎(chǔ)設(shè)施一起部署時(shí)，電力可以轉(zhuǎn)換為氫氣并再次轉(zhuǎn)換成電能，或進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為其他燃料，從而減少終端用戶對(duì)特定能源的依賴，并提高能源供應(yīng)的彈性。如果基礎(chǔ)設(shè)施得到適當(dāng)發(fā)展，未來可能會(huì)吸引各國(guó)通過出口氫和氫基燃料形式的低碳能源，或進(jìn)口氫以從抑制價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)中獲益，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)多元化。擁有優(yōu)質(zhì)制氫資源的國(guó)家廣泛分布在全球各地，目前許多化石能源出口國(guó)也擁有可再生制氫資源。在廣闊而雄心勃勃的低碳背景下，這種氫能貿(mào)易將有效地實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)之間的風(fēng)能和太陽能貿(mào)易和儲(chǔ)存以及再分配，以克服季節(jié)性差異。最后，氫可以為各國(guó)在高度電氣化的低碳世界中戰(zhàn)略性的儲(chǔ)存能源儲(chǔ)備提供另一種方式。

在能源最終用途中使用氫代替含碳燃料還可以減少當(dāng)?shù)乜諝馕廴荆纳骗h(huán)境和健康。城市空氣污染問題及其相關(guān)的健康影響現(xiàn)在是能源政策決策的主要驅(qū)動(dòng)因素，各國(guó)政府對(duì)減少空氣污染和改善空氣質(zhì)量的方法非常感興趣。由于氫氣可以儲(chǔ)存或用于各種領(lǐng)域，因此將電力轉(zhuǎn)換為氫氣可以幫助在時(shí)間和空間上匹配動(dòng)態(tài)的能源供需，以及抽水蓄電，儲(chǔ)能電池和電網(wǎng)升級(jí)等替代方案。如果可再生能源發(fā)電變得足夠便宜和廣泛，它不僅可以用來提供低碳電力，還可以用來制造低碳?xì)洌匀〈\(yùn)輸、供暖和工業(yè)原材料中的化石燃料，實(shí)際上幾乎可覆蓋任何終端不容易電氣化的所有應(yīng)用。所有這些都使氫成為一套技術(shù)方案或路線，這些技術(shù)方案或路線可以很好地協(xié)同工作，在整個(gè)能源系統(tǒng)的層面上支持低碳能源的發(fā)展。

在世界范圍內(nèi)，國(guó)家或地區(qū)現(xiàn)有的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)限制了氫的消納。它們需要處理一系列重要的技術(shù)問題，例如如何和在哪里使用加壓或液化氫，誰可以處理氫，氫燃料汽車可以開往哪里，兩者能量載體之間轉(zhuǎn)換的稅收制度，是否可以儲(chǔ)存固定二氧化碳，以及在天然氣管道中可以摻混多少氫氣。需要更新法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，給予氫實(shí)現(xiàn)其潛力的機(jī)會(huì)。包括關(guān)于氫燃料汽車加氫、跨境銷售、安全措施、許可、材料以及如何衡量生命周期環(huán)境影響的標(biāo)準(zhǔn)等一些重要的標(biāo)準(zhǔn)目前全球范圍內(nèi)尚未達(dá)成一致，。

除法規(guī)和市場(chǎng)設(shè)計(jì)外，生產(chǎn)成本也是綠氫消納的主要障礙。由于可再生能源成本的下降促使綠氫成本正在下降，但綠氫仍然比藍(lán)氫(由化石燃料通過碳捕獲和儲(chǔ)存產(chǎn)生)貴2-3倍，需要進(jìn)一步降低成本。因此，低成本的電力是生產(chǎn)具有競(jìng)爭(zhēng)力的綠氫的必要條件。這為在世界各地?fù)碛凶罴芽稍偕Y源的地域生產(chǎn)氫氣創(chuàng)造了巨大商機(jī)，以促進(jìn)綠氫競(jìng)爭(zhēng)力。然而，僅靠低廉的電力成本還不足以形成具有競(jìng)爭(zhēng)力的綠色氫氣生產(chǎn)，還需要降低電解設(shè)施（電解系統(tǒng)、建筑成本等）的成本。這也是綠氫的第二大成本構(gòu)成如何降低電解工廠的投資成本也尤為關(guān)鍵。

堅(jiān)定信心，未來可期，供所有從業(yè)者共勉！