綠色氫能綜述

電解水制氫是解決能源危機的重要制氫技術。在過去的幾十年里，電催化劑的設計和優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原料。它還可以與其他物質相結合，生產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，無論是電、生物質還是化石燃料，并且可以用于發動機、渦輪機、燃料電池和化學合成等過程應用。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品。還包括由氮和氫合成的氨，也可以用作化學原料或潛在的燃料。

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氫。“藍色"通常用于從化石燃料中生產氫氣，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氫氣。一般來說，對于來自生物質、核能或不同種類的電網電力的氫，沒有特定的顏色區分。

氫被認為是未來的替代能源載體，因為它在質量基準上具有更高的能量密度，以及帶來更少的環境問題，氫在宇宙中以不同的形式大量存在，并且它可以轉化為電力或有用的化學物質。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。氫可以有效地轉化為電，反之亦然。它可以由生物質和水等可再生材料生產，更最重要的是，在使用氫氣的所有過程中都是環保的。

由氫和氧構成的水是自然間豐富的產氫資源。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來實現。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(結合兩種或多種能源)進行。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。從水中制氫的方法有基于電的電解、基于機械能的裂解(通過超聲化學方法)、基于光子的分解(光解或光電化學水分解)和基于熱能的裂解(熱化學循環和熱分解)。

電解是用水制氫簡單的方法之一。它可以簡單地概括為電能以氫和氧的形式轉化為化學能。電解水在每個電極上有兩個反應：陽極和陰極。陽極和陰極電極之間有一個隔離物（膜）以確保氫氧保持隔離。低溫電解(LTE)在70-90℃的溫度下進行，而高溫電解(HTE)在700-1000℃的溫度下進行，高溫電解耗電量會更少。HTE的優點是，如果采用外部清潔熱源，可以實現接近零的溫室氣體排放。

水分解熱化學循環是以水分解為基礎的，通過一系列重復的化學反應，利用中間反應和過程中全部回收的物質，使整個反應相當于水分子解離成氫和氧。熱化學循環要么只由熱能驅動，稱為純熱化學循環，要么由熱能和另一種形式的能量(如電、光子等)驅動，稱為混合熱化學循環。

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

氧反應取決于電極材料而不是氯反應，并且在低過電位下使用不同的電極材料。炎熱、沿海、極度干旱的地區有強烈的太陽輻射和強烈的陸上和海上風力資源，是使用風力渦輪機或光伏發電生產可再生電力的理想地域。由于這些地區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潛在的有吸引力的技術。

海水直接電解是一種越來越有吸引力的未來電/氫轉換和儲存技術。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，這將是有效的制氫方式。這種模式也為海上移動和海上氫基發電應用提供了足夠的優勢。例如，可以為維護海上設施的水下和海上無人車輛提供動力。與氫燃料電池相結合，可逆的海水電解方案也是可能的，它有望以氫的形式儲存多余的電力，更好的是作為附帶的過程，在燃料電池的反應過程中可以形成純凈水。當然基于可逆電解槽-燃料電池方案的能源效率，與更傳統的海水淡化技術相比，由此產生的淡水產量還是有限的。

堿水電解與可再生能源相結合，可以產生供最終需求方使用的氫氣，且可以作為儲能介質整合到分布式能源系統中。與其他主要制氫方法相比，堿水電解方法簡單，但目前效率仍然較低。水電解廣泛應用的較大挑戰還在于其耐久性和安全性。

從工業電化學工程和電解槽發展的實際考慮來看，堿水電解仍然是一種較好的制氫手段。為了擴大堿性電解的應用，需要進一步更多的研發工作來提高效率，如開發電催化劑來顯大幅低電化學反應的阻力，開發電解質添加劑、通過電極表面形貌改善和表面涂層來促進電子和離子轉移并降低電極表面張力，當然管理好氣液混合相中的氣泡阻力也尤為重要。

聚合物電解質膜(PEM)電解發生在酸性環境的電解質中，利用質子交換膜傳輸質子(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綠氫的電解方法，因為它具有與AEW和SOE相當的高能量效率。PEM電解允許在高壓下產生高純度氫氣(高達99.999 vol %)，從而減少了對生產后氣體壓縮的要求。因此，通過PEM電解制氫也是商業應用中較具吸引力的技術。

利用SOEC系統進行高溫蒸汽電解制氫是一項很有前途的節能環保技術。降低工作溫度、開發電化學和化學穩定性、耐久性是SOEC商業化的關鍵問題。

光催化是一種利用光子能量從水中產生氫的水分解現象。大多數光催化劑材料是由半導體材料制成的，因為半導體材料有一個能隙，如果它被來自特定源的光子能量充電，就可以產生電子空穴。在固態或電化學PV電池以及光催化電池中，光生成的少數載流子被內置場有效地推進到多數載流子的一側，這些多數載流子與光生成的多數載流子一起流向接觸點或觸點和電解質。因此，在其擴散長度內產生的載流子的收集效率非常高。其次，在固體狀半導體電解質器件和固態光伏電池中，對于大多數半導體的高折射率來說，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，單結和多結固態光伏電池的總效率分別能達到24%和40%。

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

OER和HER兩種催化過程都是提高水電解效率所必需的，并且需要從動力學上加以改進。目前，貴金屬被認為是最重要的電催化劑。然而，主要的挑戰是珍貴的催化劑在地球上儲量有限，而且成本高，這就阻礙了技術的廣泛應用。為了減少貴金屬的使用，已經進行了很多的研究，也采用了很多技術，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構。

綜上所述，通過推進原子、分子和納米級材料的工程策略，在水裂解制氫電催化劑的設計方面已經取得了重大進展。盡管在了解OER和HER的電催化過程方面取得了很大的進展，但通過水分解電解最終實現大規模商業化生產氫氣仍然存在一些挑戰。首先，開發在酸性介質中具有高活性和長期穩定性能的非貴金屬OER電催化劑仍然是一個具有挑戰性的研究和開發的領域。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中具有良好的OER性能而備受關注。然而，納米結構的電催化劑在OER條件下的反應過程中發生了物質和結構的變化。因此，需要了解其結構轉變以確定真正的活性相和位置。

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

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

第一步：預處理粗氫去除對隨后的分離過程有害的特定污染物，并使其轉化為易于分離的物質。第二步：去除主要和次要雜質，以產生可接受水平的純氫。其中最主要的分離技術是變壓吸附(PSA)和變溫吸附（TSA）裝置，與其他分離方法相比，該裝置具有許多優點，廣泛應用于氫氣分離的各個領域。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，兩者都能夠將雜質降低到1ppm以下。

特別是在能源轉型的背景下，氫基礎設施和技術的發展通常被認為與更廣泛的經濟發展目標有關。氫的價值鏈涉及許多不同類型的技術和制造過程。預計在過渡階段，將氫摻混到天然氣的網絡和基礎設施中，也預計管網將以改造現有天然氣管道進行跨境長距離運輸作為基礎。

目前，氫氣是通過現有的天然氣管網或對現有天然氣管道進行改造，或通過專用純氫管道輸送的。已有的運輸成本數據表明，與其他運輸方式相比，管道具有明顯的成本優勢，這也引出了加強了監管的必要性。

氫主要用作運輸燃料的經濟模式所需的基礎設施與氫主要用作加熱燃料的經濟模式有很大不同。目前還沒有主要的氫氣管網存在，也沒有商業運營的液氫運輸船。氫作為能源轉型的主要支柱，利用現有的儲存和運輸能力，可以較可靠地確保向可再生能源轉變期間的供應安全。這樣，就可以隨著電網的擴大而相對迅速和低成本地促進能源轉型。

今天，氫氣通常以氣體或液體的形式儲存在小型移動和固定應用的儲罐中。然而，未來大規模和洲際氫價值鏈的順利運行將需要更廣泛的存儲方式選擇。例如，在出口的港口碼頭，可能需要在運輸前的短時間內周轉和儲存氫氣。汽車加氫站需要幾個小時的周轉儲氫時間，而幾天到幾周長時間的儲氫將有助于用戶防止潛在的氫供需不匹配出現。如果使用氫氣來彌補重大季節性變化下的電力供應或熱需求，或提供熱（或電）系統更大的彈性，則需要更長期和更大的存儲方式選擇。最合適的存儲介質取決于要存儲的容量、存儲的持續時間、所需的放電速度以及不同選擇的地理可用性。

對于像氫這樣的新能源載體管道和輸送網絡等基礎設施尤為重要。雖然氫氣可以在當地化生產，但它的儲存和分配方式和經濟規模相關。氫的供應在集中時更便宜。由于氫的體積能量密度相對較低，這相較于儲存和運輸化石燃料更具挑戰性燃料。然而，它可以轉化為氫基燃料和原料，比如合成甲烷、合成液體燃料和氨，這些都可以利用現有的基礎設施進行運輸、儲存和分配。這可以減少接觸終端用戶的成本。一些由氫產生的合成碳氫化合物可以直接替代它們的化石能源能量當量。如今，氨已經被用作化學工業的原料，未來可能成為氫的長途運輸載體，或者本身被用作航運部門的燃料。開發新的氫價值鏈的成功將取決于連接生產、運輸、分配、存儲和最終用途基礎設施。這將需要許多不同的市場參與者協調投資，這對這些主體來說也可能是一個很大的挑戰。

氫可以在幾個方面支持能源安全。當氫氣與電力基礎設施一起部署時，電力可以轉換為氫氣并再次轉換成電能，或進一步轉換為其他燃料，從而減少終端用戶對特定能源的依賴，并提高能源供應的彈性。如果基礎設施得到適當發展，未來可能會吸引各國通過出口氫和氫基燃料形式的低碳能源，或進口氫以從抑制價格的競爭中獲益，實現經濟多元化。擁有優質制氫資源的國家廣泛分布在全球各地，目前許多化石能源出口國也擁有可再生制氫資源。在廣闊而雄心勃勃的低碳背景下，這種氫能貿易將有效地實現不同地區之間的風能和太陽能貿易和儲存以及再分配，以克服季節性差異。最后，氫可以為各國在高度電氣化的低碳世界中戰略性的儲存能源儲備提供另一種方式。

在能源最終用途中使用氫代替含碳燃料還可以減少當地空氣污染，改善環境和健康。城市空氣污染問題及其相關的健康影響現在是能源政策決策的主要驅動因素，各國政府對減少空氣污染和改善空氣質量的方法非常感興趣。由于氫氣可以儲存或用于各種領域，因此將電力轉換為氫氣可以幫助在時間和空間上匹配動態的能源供需，以及抽水蓄電，儲能電池和電網升級等替代方案。如果可再生能源發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氫，以取代運輸、供暖和工業原材料中的化石燃料，實際上幾乎可覆蓋任何終端不容易電氣化的所有應用。所有這些都使氫成為一套技術方案或路線，這些技術方案或路線可以很好地協同工作，在整個能源系統的層面上支持低碳能源的發展。

在世界范圍內，國家或地區現有的法規和標準限制了氫的消納。它們需要處理一系列重要的技術問題，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換的稅收制度，是否可以儲存固定二氧化碳，以及在天然氣管道中可以摻混多少氫氣。需要更新法規和標準，給予氫實現其潛力的機會。包括關于氫燃料汽車加氫、跨境銷售、安全措施、許可、材料以及如何衡量生命周期環境影響的標準等一些重要的標準目前全球范圍內尚未達成一致，。

除法規和市場設計外，生產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，但綠氫仍然比藍氫(由化石燃料通過碳捕獲和儲存產生)貴2-3倍，需要進一步降低成本。因此，低成本的電力是生產具有競爭力的綠氫的必要條件。這為在世界各地擁有最佳可再生資源的地域生產氫氣創造了巨大商機，以促進綠氫競爭力。然而，僅靠低廉的電力成本還不足以形成具有競爭力的綠色氫氣生產，還需要降低電解設施（電解系統、建筑成本等）的成本。這也是綠氫的第二大成本構成如何降低電解工廠的投資成本也尤為關鍵。

堅定信心，未來可期，供所有從業者共勉！