水電解是生產綠色氫氣的關鍵工藝。對堿性電解槽、PEM 電解槽、固體氧化物電解槽（SOE）和 AEM 電解槽進行了比較分析。根據使用的電解質、電極材料、效率、資本支出和運營成本、耐用性、靈活性、溫度范圍、可擴展性、對環境的影響以及優勢和挑戰等幾項標準進行評估后發現，每種類型的電解槽都有其獨特之處，使其適用于不同的應用領域（見下表）。所以在未來大體上各技術路線也會是基于運營場景的差異化而各自存在。
AE 使用液態堿性溶液作為電解質以及采用鎳基的電極。其特點是效率適中、資本和運營成本低、耐用性高、對環境影響小。然而，與其他一些方法相比，它們的效率較低，由于電解質具有腐蝕性，需要使用堅固的材料，而且動態操作相對受到限制。PEM 電解槽采用固體聚合物電解質膜，電極使用鉑、銥等昂貴材料。它們效率高、響應時間快、電流密度大，但材料成本高、耐用性有限，而且需要純水來防止膜降解。SOE 在高溫下工作，使用固體陶瓷材料作為電解質和專用電極材料。由于工作溫度高、能夠利用廢熱以及具有與高溫工藝集成的潛力，它們擁有很高的效率。然而它們需要專門的材料，另啟動和關閉過程也較緩慢，而且由于熱應力的影響，動態運行能力受到限制。AEM 電解槽與 PEM 類似，使用固體聚合物膜，但傳導氫氧根離子。由于材料較便宜，它們的成本較低，有可能實現更高的效率，并與腐蝕性較弱的堿性電解質兼容。然而，它們的缺點是膜和電極的耐久性和穩定性有限，電流密度較低，并且也需要較高純度的水來防止膜降解。
綠氫制造技術的選擇受幾個關鍵因素的影響，這些因素因綠氫的應用和規模而異。
主要的考慮因素與生產規模有關。PEM 電解槽通常是小規模應用的首選，因為其響應時間快、電流密度高，適合可變可再生能源。能夠方便地添加或移除模塊對于根據需求或可用的可再生能源擴大或縮小規模至關重要。AE 因其較低的資本成本和成熟的技術而被廣泛使用。然而，PEM 電解槽因其更高的效率和能量密度而越來越受歡迎。在風能、太陽能、水能或它們的組合之間做出選擇，取決于這些資源在當地的可用性和成本。由于 SOE 或 AE 具有高效率和較低運營成本的潛力，因此在大規模應用時通常會考慮使用 SOE 或 AE。與大型可再生能源項目（如風電場或太陽能園區）的整合能力對于最大限度地利用可再生能源電力至關重要。可再生能源技術成本的降低和效率的提高是降低綠色制氫成本的主要驅動力。電解技術的進步、電極和膜材料的改進以及創新的系統設計進一步推動了這一趨勢。此外，支持性政策、與可再生能源的結合以及降低成本戰略在使綠氫成為更具競爭力和可持續發展的能源載體方面發揮著至關重要的作用。隨著這些趨勢的持續，綠氫有望在廣泛的應用中變得越來越可行，從而支持全球向低碳經濟的轉型。
確保為電解提供穩定、持續的能源供應對于高效、經濟地生產綠氫至關重要。主要挑戰涉及可再生能源的間歇性、電網集成和穩定性、儲能以及能源管理。風能和太陽能本身具有間歇性，其取決于天氣條件和一天中的有效時間。這種間歇性會導致電解槽的供電波動。另季節變化會嚴重影響可再生能源的可用性，尤其是太陽能和風能。現有電網可能無法處理和應對大量波動的再生能源，這樣會導致供電電力削減或不穩定。將大量電力從可再生能源輸送到電解制氫工廠，尤其是長距離輸送也具有挑戰性且成本較高。由于目前的儲能技術容量有限且成本高，因此在低用電量時期儲存多余的可再生能源具有挑戰性。能量轉換和儲存過程會導致巨大的效率損失，從而會降低電解能源供應的整體效率。
潛在的解決方案包括可再生能源的多樣化、儲能技術的開發、電網升級和靈活性、需求響應和負荷管理、政策和監管支持以及研發。對新材料、儲能技術和電網管理系統的持續研究可帶來突破，提高電解能源供應的穩定性和效率。通過實施試點項目和示范項目，可以深入了解確保電解能源供應穩定所面臨的實際挑戰和解決方案。通過結合技術創新、基礎設施升級和政策支持來應對這些挑戰，就有可能確保電解能源供應的穩定性和連續性，從而促進綠氫的大規模生產。
未來的一些方向。綠色制氫的未來發展方向對于過渡到可持續和碳中和的能源系統至關重要。綠色制氫是利用太陽能、風能或水電等可再生能源通過電解水生產氫氣，為依賴化石燃料的傳統制氫方法提供了一種清潔的替代方法。未來綠色制氫的主要方向包括提高電解技術的效率、與可再生能源結合、擴大生產規模、降低成本、開發終端應用、國際合作和政策支持、創新商業模式以及環境和社會因素。
電解槽技術的進步對于降低綠色制氫的成本和提高效率至關重要。這包括開發更耐用、更高效的電解槽材料，以更高的電流密度和更低的能耗運行。加強綠色制氫與波動再生能源的整合至關重要。這包括開發智能電網技術和儲能解決方案，以管理可再生能源的間歇性，確保制氫所需的電力供應穩定。為了滿足日益增長的清潔能源需求，有必要將綠色制氫從試點和示范項目擴大到大規模商業運營。這包括建設更大規模的電解工廠，以及建立氫氣運輸和儲存的基礎設施。降低綠色氫氣的成本，使其與化石燃料制氫相比具有競爭力是一個主要目標。這可以通過技術進步、規模經濟以及補貼和碳定價等政策支持機制來實現。擴大綠色氫氣在交通、工業和發電等各個領域的使用至關重要。這包括開發汽車燃料電池、在工業流程中使用氫作為原料或燃料，以及將氫納入供熱和發電的天然氣網。就綠氫技術的研究、開發和應用開展國際合作對于分享知識和最佳實踐都非常重要。
此外，可再生能源目標、碳稅和研發資金等支持性政策也能加快綠色氫能的采用。有必要開發創新的商業模式，為綠氫生產和基礎設施開發的高額前期成本提供資金。這包括公私合作伙伴關系、綠色債券和其他能夠吸引投資的金融工具。確保綠氣的生產和使用具有環境和社會可持續性非常重要。這包括評估綠氫的生命周期排放，確保電解用水的可持續性，以及考慮氫氣生產和使用的社會影響。綠氫前景廣闊，有可能在全球經濟去碳化方面發揮重要作用。然而，要實現這一潛力，需要在技術開發、基礎設施投資和政策支持方面共同努力，這也是進一步發展 HE （氫經濟）的一部分。
原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：綠氫生產：電解槽技術比較與未來發展趨勢
