氫能經濟正處于上升階段，預計全球對氫作為能量載體的需求將從2019年幾乎為零增長到2050年的24EJ/年。發展將主要集中在制造業和運輸業，這將增加氫的持續非能源使用，如化肥和原料。DNV發布的ETO 2021包括影響氫使用的碳價格敏感性，這將導致需求進一步增加。
氫氣是如何生產制取的？
綠氫是通過電解制取的。在基本層面上，電解通過施加電流將水(H2O)分解為氫氣(H2)和氧氣(O2)。以下將總結綠氫生產的四大技術。
為了滿足日益增長的制氫需求，需要前所未有的產能升級，包括生產棕氫、灰氫、藍氫或綠氫。雖然所有的“顏色”都將在未來發揮作用，但歸根結底，綠氫是最可持續、最無碳的選擇。此外，綠氫還將支持可再生能源的商業案例。大規模電解可以在生產過剩和電池儲能、抽水蓄能和需求側管理期間對平衡電力市場起到重要的支撐作用(其特點通常是價格低或接近零)。
1、堿電解(AE)
AE是最成熟的電解技術，在20世紀廣泛應用于水力發電生產氨氣和化肥。AE的主要特點是使用混合氫氧化鉀（KOH）液體電解質來提高導電性。常壓堿電解是最常見的形式，系統在常壓條件下運行并產生氫氣。還有一個氫氣輸出壓力小于40bar的增壓系統。許多應用程序需要增壓氫氣。與使用壓縮機相比，更高的輸出壓力可以節省成本和能源。增壓堿電解還可以更好地響應功率輸入的變化（例如，可再生能源）。但這些好處的成本是效率略低，設計和維護更具挑戰性。
2、質子交換膜(PEM)
最早的PEM電解槽用于潛艇制氧，但自本世紀初以來，它們一直用于制造商用氫氣。PEM的特點是其固體電解質(膜)和快速響應時間，通常是增壓。雖然還不是很成熟，但是這個技術取得了很大的進步，逐漸成熟。成本比AE高30%左右，但效率相當。預計電堆壽命將達到類似AE的水平(7萬-8萬小時)，隨著系統達到6萬小時，接近實現這一目標；PEM已經部署在兆瓦規模，加拿大最大的制氫廠是20MW。
3、固體氧化物電解(SOE)
SOE已經商業化，近期投資導致市場競爭加劇、產能升級。該技術主要是由于工作溫度高(500-900oC)、效率高、用蒸汽代替液態水而得到認可的。該技術已經商業化，但在規模和成熟度上仍遠遠落后于AE和PEM。電堆的使用壽命仍然限制在2萬小時以內，需要降低成本才能與AE和PEM競爭。此外，電堆的容量仍然只有幾千瓦，而AE和PEM超過1MW。
SOE的一個獨特優點是，它可以利用蒸汽和二氧化碳的共電解直接形成合成氣體，并通過蒸汽和空氣的共電解產生氫氣和氮氣的混合物。后者結合氨氣生產具有優勢，不僅節省了空氣分離裝置的氮制造成本，而且利用余熱生產蒸汽。SOE也可以作為燃料電池反向運行。
4、陰離子交換膜(AEM)
最不成熟的技術是AEM，還處于研發階段。該系統在商業上可用，但只有2.4kW。這與生產氫氣作為能量載體或原料所需的兆瓦級相去甚遠。這種技術看起來很有前途，因為它的簡單設計與PEM相似，但不需要重要的原材料。主要問題是不穩定，使用壽命有限。到目前為止，測試僅超過2000小時，顯示出高度退化。一些改進可能會使壽命達到5000小時，但這是以降低效率為代價。
技術發展趨勢
可以說，AE不會有更多的發展，因為它相對成熟。然而，該技術有著悠久的歷史。能源轉型可能為其注入新的發展動力，其產能將顯著增加，因為AE必須跟上其他新興技術的步伐，特別是PEM。
這兩種技術都處于性能優化階段，注重效率、使用壽命和成本。雖然優化一個參數通常以犧牲其他參數為代價，但目標是降低氫氣的平均成本(LCOH)。分析表明，LCOH的主要驅動因素是電力消耗、投資成本和電堆退化。因此，制造商關注這些方面并不奇怪。
1、對于AE和PEM，較薄的薄膜可以減少內阻，從而提高效率，更高的工作溫度也可以提高效率。
2、提高工廠設備平衡——供電、水和氣體處理設備的效率進一步提高。
3、降低成本的方法是擴大容量。預計接近吉瓦級的電解廠將實現規模經濟。
4、升級、標準化和改進制造技術將進一步降低成本。目前組裝是手動完成的，但可以通過標準化的系統設計和產能升級實現自動化。
5、進一步改進包括將增壓堿電解和PEM的工作壓力增加到70bar。
在AE和PEM爭奪商業地位的同時，SOE已經通過三家廠商進入市場。SOE的發展主要集中在提高電堆的穩定性和使用壽命、擴大容量和降低成本上。電堆應通過盡可能減少熱循環和避免二氧化硅等導致電極堵塞的雜質來提高使用壽命。通過增加電池面積、電池數量和電流密度，也可以獲得更高的容量。理論上講，制造>1MW的電堆不應該有重大障礙，這比現在的＜10W的電堆相比增長顯著。最后，僅在規模經濟的基礎上，成本有望降低50%。到2030年，SOE將與AE和PEM競爭。
AEM仍然需要最大程度的發展。該系統目前可以商業化，但規模太小，沒有商業可行性。在開始與其它電解技術競爭之前，有必要大大提高電堆壽命。因此，重點是獲得穩定的膜，這限制了電堆壽命。
綠氫的漫長發展
目前，成本競爭力是綠氫面臨的主要挑戰。在二氧化碳價格較低的情況下，電解必須與相對便宜的化石資源中的棕氫、灰氫和藍氫競爭。因此，化石燃料中的氫氣可能在建立氫氣作為重要能量載體方面發揮重要作用。在某些情況下，可再生能源和電解的升級和成本降低將使綠氫更具競爭力。我們預計至少需要十年時間，平價成本取決于政府的支持。但棕氫、灰氫或藍氫的投資者應考慮綠氫在資產貶值前更具競爭力的風險，尤其是在低成本可再生能源可用于電解的地區，因為電力成本是綠氫的主要競爭因素。
不同氫“顏色”的路徑將取決于可用的資源、政策、碳價格和投資者承擔的風險——這些參數將因地區而異。
電氣化正在取代碳密集型能量載體的角色，并與綠氫競爭！
與此同時，電氣化正在取代碳密集型能量載體的作用，并與綠氫競爭。人們普遍認為，熱泵電氣化是中低加熱溫度工藝中更有效、更便宜的脫碳選擇。這可能適用于蒸汽和熱水生產等低溫（＜100°C）應用，但并非所有過程也適用于電氣化。對荷蘭工業的分析發現，許多過程可以實現電氣化，但需要進行大刀闊斧的改造，這表明整體所有權成本高于氫所有權成本。氫可以通過更換或改造天然氣燃燒器來使用，而其他工藝設備基本保持不變。這些例子在干燥或烘烤過程中很常見，如磚和陶瓷工業或玻璃冶煉。同樣，煉油廠的進口氫氣流相對容易被綠氫或藍氫所取代。
相比之下，將氫氣直接輸送到化肥生產過程更為復雜，最終將成為藍氫和綠氫的重要市場。例如，尿素的生產使用來自蒸汽甲烷重整的碳和氮流。如果氫氣直接輸送，將無法實現。這些挑戰增加了行業脫碳方法的不確定性，并要求在評估最具成本競爭力的解決方案時采用更詳細的自下而上方法。
電解槽原設備制造商（OEM）對電價幾乎沒有影響，因此綠氫成本競爭力的主要工具是規模經濟和制造技術的改進。這是制造商降低資本支出的兩個關鍵點。隨著大規模電解計劃的增加，必須提高制造能力以滿足需求，擴大規模。
