氢能经济正处于上升阶段，预计全球对氢作为能量载体的需求将从2019年几乎为零增长到2050年的24EJ/年。发展将主要集中在制造业和运输业，这将增加氢的持续非能源使用，如化肥和原料。DNV发布的ETO 2021包括影响氢使用的碳价格敏感性，这将导致需求进一步增加。
氢气是如何生产制取的？
绿氢是通过电解制取的。在基本层面上，电解通过施加电流将水(H2O)分解为氢气(H2)和氧气(O2)。以下将总结绿氢生产的四大技术。
为了满足日益增长的制氢需求，需要前所未有的产能升级，包括生产棕氢、灰氢、蓝氢或绿氢。虽然所有的“颜色”都将在未来发挥作用，但归根结底，绿氢是最可持续、最无碳的选择。此外，绿氢还将支持可再生能源的商业案例。大规模电解可以在生产过剩和电池储能、抽水蓄能和需求侧管理期间对平衡电力市场起到重要的支撑作用(其特点通常是价格低或接近零)。
1、碱电解(AE)
AE是最成熟的电解技术，在20世纪广泛应用于水力发电生产氨气和化肥。AE的主要特点是使用混合氢氧化钾（KOH）液体电解质来提高导电性。常压碱电解是最常见的形式，系统在常压条件下运行并产生氢气。还有一个氢气输出压力小于40bar的增压系统。许多应用程序需要增压氢气。与使用压缩机相比，更高的输出压力可以节省成本和能源。增压碱电解还可以更好地响应功率输入的变化（例如，可再生能源）。但这些好处的成本是效率略低，设计和维护更具挑战性。
2、质子交换膜(PEM)
最早的PEM电解槽用于潜艇制氧，但自本世纪初以来，它们一直用于制造商用氢气。PEM的特点是其固体电解质(膜)和快速响应时间，通常是增压。虽然还不是很成熟，但是这个技术取得了很大的进步，逐渐成熟。成本比AE高30%左右，但效率相当。预计电堆寿命将达到类似AE的水平(7万-8万小时)，随着系统达到6万小时，接近实现这一目标；PEM已经部署在兆瓦规模，加拿大最大的制氢厂是20MW。
3、固体氧化物电解(SOE)
SOE已经商业化，近期投资导致市场竞争加剧、产能升级。该技术主要是由于工作温度高(500-900oC)、效率高、用蒸汽代替液态水而得到认可的。该技术已经商业化，但在规模和成熟度上仍远远落后于AE和PEM。电堆的使用寿命仍然限制在2万小时以内，需要降低成本才能与AE和PEM竞争。此外，电堆的容量仍然只有几千瓦，而AE和PEM超过1MW。
SOE的一个独特优点是，它可以利用蒸汽和二氧化碳的共电解直接形成合成气体，并通过蒸汽和空气的共电解产生氢气和氮气的混合物。后者结合氨气生产具有优势，不仅节省了空气分离装置的氮制造成本，而且利用余热生产蒸汽。SOE也可以作为燃料电池反向运行。
4、阴离子交换膜(AEM)
最不成熟的技术是AEM，还处于研发阶段。该系统在商业上可用，但只有2.4kW。这与生产氢气作为能量载体或原料所需的兆瓦级相去甚远。这种技术看起来很有前途，因为它的简单设计与PEM相似，但不需要重要的原材料。主要问题是不稳定，使用寿命有限。到目前为止，测试仅超过2000小时，显示出高度退化。一些改进可能会使寿命达到5000小时，但这是以降低效率为代价。
技术发展趋势
可以说，AE不会有更多的发展，因为它相对成熟。然而，该技术有着悠久的历史。能源转型可能为其注入新的发展动力，其产能将显著增加，因为AE必须跟上其他新兴技术的步伐，特别是PEM。
这两种技术都处于性能优化阶段，注重效率、使用寿命和成本。虽然优化一个参数通常以牺牲其他参数为代价，但目标是降低氢气的平均成本(LCOH)。分析表明，LCOH的主要驱动因素是电力消耗、投资成本和电堆退化。因此，制造商关注这些方面并不奇怪。
1、对于AE和PEM，较薄的薄膜可以减少内阻，从而提高效率，更高的工作温度也可以提高效率。
2、提高工厂设备平衡——供电、水和气体处理设备的效率进一步提高。
3、降低成本的方法是扩大容量。预计接近吉瓦级的电解厂将实现规模经济。
4、升级、标准化和改进制造技术将进一步降低成本。目前组装是手动完成的，但可以通过标准化的系统设计和产能升级实现自动化。
5、进一步改进包括将增压碱电解和PEM的工作压力增加到70bar。
在AE和PEM争夺商业地位的同时，SOE已经通过三家厂商进入市场。SOE的发展主要集中在提高电堆的稳定性和使用寿命、扩大容量和降低成本上。电堆应通过尽可能减少热循环和避免二氧化硅等导致电极堵塞的杂质来提高使用寿命。通过增加电池面积、电池数量和电流密度，也可以获得更高的容量。理论上讲，制造>1MW的电堆不应该有重大障碍，这比现在的＜10W的电堆相比增长显著。最后，仅在规模经济的基础上，成本有望降低50%。到2030年，SOE将与AE和PEM竞争。
AEM仍然需要最大程度的发展。该系统目前可以商业化，但规模太小，没有商业可行性。在开始与其它电解技术竞争之前，有必要大大提高电堆寿命。因此，重点是获得稳定的膜，这限制了电堆寿命。
绿氢的漫长发展
目前，成本竞争力是绿氢面临的主要挑战。在二氧化碳价格较低的情况下，电解必须与相对便宜的化石资源中的棕氢、灰氢和蓝氢竞争。因此，化石燃料中的氢气可能在建立氢气作为重要能量载体方面发挥重要作用。在某些情况下，可再生能源和电解的升级和成本降低将使绿氢更具竞争力。我们预计至少需要十年时间，平价成本取决于政府的支持。但棕氢、灰氢或蓝氢的投资者应考虑绿氢在资产贬值前更具竞争力的风险，尤其是在低成本可再生能源可用于电解的地区，因为电力成本是绿氢的主要竞争因素。
不同氢“颜色”的路径将取决于可用的资源、政策、碳价格和投资者承担的风险——这些参数将因地区而异。
电气化正在取代碳密集型能量载体的角色，并与绿氢竞争！
与此同时，电气化正在取代碳密集型能量载体的作用，并与绿氢竞争。人们普遍认为，热泵电气化是中低加热温度工艺中更有效、更便宜的脱碳选择。这可能适用于蒸汽和热水生产等低温（＜100°C）应用，但并非所有过程也适用于电气化。对荷兰工业的分析发现，许多过程可以实现电气化，但需要进行大刀阔斧的改造，这表明整体所有权成本高于氢所有权成本。氢可以通过更换或改造天然气燃烧器来使用，而其他工艺设备基本保持不变。这些例子在干燥或烘烤过程中很常见，如砖和陶瓷工业或玻璃冶炼。同样，炼油厂的进口氢气流相对容易被绿氢或蓝氢所取代。
相比之下，将氢气直接输送到化肥生产过程更为复杂，最终将成为蓝氢和绿氢的重要市场。例如，尿素的生产使用来自蒸汽甲烷重整的碳和氮流。如果氢气直接输送，将无法实现。这些挑战增加了行业脱碳方法的不确定性，并要求在评估最具成本竞争力的解决方案时采用更详细的自下而上方法。
电解槽原设备制造商（OEM）对电价几乎没有影响，因此绿氢成本竞争力的主要工具是规模经济和制造技术的改进。这是制造商降低资本支出的两个关键点。随着大规模电解计划的增加，必须提高制造能力以满足需求，扩大规模。
