12月4日,美國能源部(DOE)發布《氫計劃:水電解技術評估》報告,詳細闡述通過電解技術降低清潔氫生產成本的途徑。該報告指出,電解技術有潛力實現DOE氫計劃(Hydrogen Shot?)的目標,即將清潔氫的生產成本降低至每公斤1美元。報告詳盡闡述了實現這一目標所必須采取的創新路徑與技術突破,包括制造能力提升、技術效率優化以及綜合能源系統的改進。
具體來看,該報告分析了五種電解槽技術。其中,質子交換膜電解槽(PEM)商業化程度高,已用于大規模制氫;堿性電解槽(ALK)是最成熟的電解槽技術,已部署容量最大;氧離子傳導固體氧化物電解槽(O-SOEC)處于商業化初期,已在美國開始示范;陰離子交換膜電解槽(AEM)是一種有潛力的技術,但商業化程度低;質子傳導固體氧化物電解槽(P-SOEC)是一種低溫替代O-SOEC的技術,但商業化程度低,仍在研發中。
報告使用2020年美元為基準,并主要關注制氫成本,不包括儲存等其他成本。三種商業化程度最高的電解槽技術的當前成本分別為:在使用電網電力時,PEM每千克氫氣成本為6.00-7.20美元,ALK每千克氫氣成本為5.00-5.50美元;在使用電網電力和天然氣供熱時,O-SOEC每千克氫氣的成本為7.00-8.00美元。
圖丨PEM電解槽系統和電堆成本結構
(假設采用1兆瓦電堆、1兆瓦系統,年產能1吉瓦)
圖丨堿性電解槽系統和電堆成本結構
(假設采用4兆瓦電堆、50兆瓦BOP模塊,年產能1吉瓦)
圖丨氧離子傳導固體氧化物電解槽系統和電堆結構
(假設采用50千瓦堆棧、1吉瓦系統,年產能1吉瓦)
報告指出,為了實現美國能源部提出的“111”計劃目標,需要通過技術進步、制造規模化、清潔能源系統集成以及其他方面的努力,大幅降低清潔氫氣的生產成本,使其成為未來清潔能源體系的重要組成部分。
技術進步
降低材料和設備成本
PEM電解槽:重點關注降低貴金屬催化劑(鉑和銥)的負載量,開發更薄、性能更優異的膜材料,以及采用更經濟的雙極板和多孔傳輸層材料。ALK電解槽:研發新型隔膜材料和高活性、高利用率的非貴金屬催化劑。探索新的電池和電堆設計,以提高電流密度并降低歐姆電阻。O-SOEC電解槽:開發低成本的互連材料和制造工藝,并探索降低操作溫度以減少熱管理成本。AEM電解槽:開發高導電率、耐用且穩定的陰離子交換膜和離聚物,以及高活性、高利用率和耐用的非貴金屬電極。P-SOEC:開發穩定、高效且機械強度高的電解質材料,并改進氧電極性能。
提高效率和性能
所有電解槽技術:提高電解槽的能量轉換效率,以減少單位氫氣生產所需的電力消耗。PEM電解槽:優化多孔傳輸層設計,以提高傳質效率。ALK電解槽:改進電池設計和組件集成策略,優化氣泡管理,以降低歐姆電阻。O-SOEC和P-SOEC:提高熱集成水平,以利用外部熱源并提高系統整體效率。
延長使用壽命
所有電解槽技術:提高電解槽的耐用性和使用壽命,以降低維護和更換成本。PEM電解槽:開發加速應力測試,以快速評估材料和組件的耐用性。優化膜/催化劑層/多孔傳輸層界面,以提高穩定性和抗降解能力。ALK電解槽:探索新的電池設計和材料,以提高在動態操作條件下的耐用性。O-SOEC:降低操作溫度,減少電極污染和互連材料的降解。開發加速應力測試,以識別提高壽命的機會。AEM電解槽:研究支持電解質的作用和降解機制,探索消除電解質的可能性。P-SOEC:開發耐高溫、高濕和氧化還原環境的電解質材料。
制造規模化和經濟效益
擴大制造能力
大幅提升所有電解槽技術的制造規模,以降低制造成本并實現規模經濟。
改進制造工藝
所有電解槽技術:采用自動化制造工藝,提高生產線速度,實施嚴格的質量保證和質量控制,以提高生產效率并降低制造成本。PEM電解槽:推廣卷對卷制造技術,以快速生產催化劑涂層膜和基材。ALK電解槽:開發或驗證零間隙和新興電池設計的制造技術,以縮短加工時間。O-SOEC:減少燒結和互連材料加工的熱處理步驟,并以連續工藝替代批處理工藝。
清潔能源系統集成
與可再生能源直接耦合
所有電解槽技術:將電解槽直接連接到風能、太陽能、水力發電和地熱能等可再生能源,以利用低成本的現場電力。PEM電解槽和ALK電解槽:針對可再生能源的波動性和間歇性,開發和優化電解槽的動態運行能力,例如快速響應負載變化和啟動/停止循環。
與核能集成
O-SOEC和P-SOEC:將電解槽與核電站集成,可以利用核能產生的高溫熱量來提高效率并降低成本。開發和優化電解槽的熱集成系統設計,以最大限度地利用核能的熱能。
優化運行策略
所有電解槽技術:開發混合能源系統,結合多種清潔能源和儲能系統,以提高電解槽的容量系數。PEM電解槽、ALK電解槽和O-SOEC:優化運行策略,例如在電力價格低廉時增加制氫量,在電力需求高峰時減少制氫量,以降低運營成本。
其他研發方向
降低「軟成本」
除了硬件和運營成本外,還需要關注與電解槽部署、安裝和整體能源系統集成相關的“軟成本”,例如場地準備、土地、許可證、調試和運輸等。通過優化系統設計、模塊化和標準化組件以及簡化安裝流程,可以降低這些成本。
生命周期分析
對不同電解槽技術進行全面的生命周期分析,以評估其環境影響,包括溫室氣體排放、水消耗和其他環境問題。這將有助于確定最可持續的制氫技術路線。圖片
圖文來源于中國氫能聯盟及網絡等公開渠道
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