氫能是理想的清潔二次能源，但尚未被大范圍應用，瓶頸就在于產氫成本高、用氫價格高。當前，我國市場上每公斤綠氫售價為50~60元，約是石油、煤炭、天然氣等其他能源價格的十數倍。全球都在致力于研究開發低成本綠氫生產技術和應用模式，為5元/公斤的綠氫奮斗。在近日舉辦的石化化工“行業發展趨勢與未來”論壇上，上海牧溢投資咨詢有限公司執行董事、中國氣候投融資專委會委員曹衛球先生介紹了其在低成本制氫方面的觀點和實踐成果。
第一類綠氫制備技術是水電解制氫技術。用綠電電解水生產綠氫是一種非常普遍的制氫技術，這類制氫過程中需要大量純水。因為電解水制氫過程中若用低質水，會導致電極很快被腐蝕，縮短壽命。“電解槽中部分部件，如隔膜、催化劑、質子交換膜(PEM)和多孔傳輸層，都可能受到鐵、鉻、銅等水中雜質的破壞。這便要求電解水的電導率小于1微西/厘米，總有機碳小于50微克/升，也就是所謂的純水。”曹衛球解釋道。
電解水制氫究竟需要消耗多少水?曹衛球做了一番計算。如果綠氫每年總產量為2050萬噸，則需消耗1.8億噸純水，也就是需要32個10萬噸的海水淡化工廠，或者24個10萬噸的自來水工廠提供超濾淡水，而每項方案都極為占地耗力。“在缺水地區，這些基礎設施消耗的水將會和當地的生活用水、農業用水、工業用水形成惡性競爭。不但如此，建設此類基礎設施會直接增加本區域的生態足跡、碳足跡以及溫室氣體排放總量和排污總量。”曹衛球表示。
如何降低生態和環境影響?曹衛球介紹了一種利用海水直接電解制氫的技術。其主要原理是將鎳鐵氫氧化物分層到硫化鎳之上，硫化鎳覆蓋了鎳泡沫芯。鎳泡沫充當導體從電源傳輸電力，鎳鐵氫氧化物電極將水分離成氧氣和氫氣。在電解過程中，硫化鎳形成保護陽極的負電荷層。正如兩塊磁鐵的負端相互推擠一樣，帶負電荷的層會排斥氯離子，防止其到達核心部分的金屬電極。2019年9月，一個初創企業團隊應用類似的低成本電極保護材料提出了新一代電解水技術，其能效為98.7%，而傳統電解槽的設備能效通常僅有70%~80%。這一技術的另一優點是電解槽通電產生氫氣，斷電產生氧氣，氫氣和氧氣的產生有先后順序，避免了氫氧直接反應發生爆炸的危險，也省去了分離膜的應用，從而大大簡化了電解槽的構造、組裝，降低了運行和維護成本。據研究人員估計，該設備的生產成本大約是現有技術的一半。
第二種技術是采用等離子體直接裂解的方法，從生物甲烷及高濃度污水(包括沼液)中生產氫氣、氮氣、一氧化碳、乙炔等氣體和高純度固體炭黑。該技術制氫過程中每生產一公斤氫耗電在10~20千瓦時，對比今天市面上電解槽每生產一公斤氫的耗電量大于40千瓦時，節省了一半以上的電力。這種技術將捕集到的甲烷分解成了單質固體碳和氫氣，納米級固體炭黑被生產出來后立即包裝成為一類高附加值的工品，實現了完美的碳捕集與封存和利用(CCUS)過程。另外，該技術不需要任何催化劑，僅需要普通工業氣體、循環水和綠色電力即可。通過緊湊的撬裝系統設計，1兆瓦產氫量1噸/日的系統僅占地500~1000平方米。據曹衛球介紹，他正在積極推動相關各方共同搭建產業生態系統并落地試點該項目。
第三種技術是從空氣中直接制氫。地球每天約有1200億噸水蒸氣從陸地和海洋進入到大氣環流之中。這項技術將大規模水蒸氣收集裝置與電解水裝置相結合，在陰極上產生的氫氣可被收集管道存入存儲裝置。這一精巧的設計讓電極產生氫氣和氧氣的過程被自然隔離開來，因此無需擔心氫氣和氧氣相遇發生反應。另外，由于水蒸氣的水質接近工業級純凈水，因此在沿?；蛘吆Ｑ蟓h境下制氫無需海水淡化工廠和自來水廠的投入，大大節省了制氫成本。據曹衛球介紹，該技術在大規模生產過程中需要催化劑的幫助。目前研究團隊正在沙漠地區礦區試點生產綠氫作為儲能介質。據初步數據來看，沙漠地區生產一公斤氫耗電約需40~50千瓦時，這些電可由當地離網光伏和風電等發出的綠電提供。
低成本制氫技術將為氫能大規模應用提供堅實的基礎。曹衛球堅信：“時移勢遷，相信在技術的加持下，2025年全球涌現‘5元綠氫’不再是夢想!”
