绿色氢经济背后的关键技术 - 彭博社

Plug Power Inc.在马萨诸塞州康科德的设施中的电解器堆。电解器利用电力将水分解成氢气和氧气，是绿色氢经济的基石。

摄影师：Adam Glanzman/Bloomberg注册**以在您的收件箱中收到彭博绿色新闻简报。

太阳能依赖太阳能电池。风力发电依赖风力涡轮机。

绿色氢经济的关键是一个名字来自上世纪50年代科幻小说的鲜为人知的机器——电解器。经过一个世纪的默默无闻，电解器的时刻已经到来。

该设备利用电力将水分解成氢气和氧气。如果电力来自风力涡轮机、太阳能电池板或核反应堆，整个过程不会产生温室气体。工厂、发电厂，甚至喷气飞机都可以燃烧这种氢而不会使地球变暖。

Plug Power员工在马萨诸塞州康科德检查堆。堆是电解器的核心，反应发生在这里。根据客户需要的氢气量，可以将多个堆组合在一个单元中。摄影师：Adam Glanzman/Bloomberg有其他方法可以制造氢燃料，可以使用天然气或者甚至煤炭。但是要实现零碳排放的方式，不需要捕获和储存排放物，就必须依赖电解器。

“我认为人们没有意识到电解器是什么，”Plug Power Inc.首席执行官安迪·马什说道，该公司生产这些设备。“它是绿色氢的基石。”

与风力涡轮机和太阳能电池不同，电解器并不是立即容易理解的。较大的电解器看起来像一团管道和管子的混乱，而较小、更模块化的版本则是将电子设备和机械装进了集装箱大小甚至冰箱大小的盒子中。

所有电解器堆都包含正负电极 — 阴极和阳极 — 以及电解质。这里展示的Plug Power电解器堆使用一种称为“质子交换膜”或PEM的技术，具有固体电解质。摄影师：亚当·格兰兹曼/彭博社科学家在两个多世纪前发现了电解器使用的过程 — 电解 — 商业电解器在1920年代上市。直到1960年代，一种利用蒸汽从天然气中提取氢气的过程取代了它们，成为生产氢气的主要方式。如今全球几乎所有使用的氢气 — 在石油精炼厂、化肥厂和化工厂 — 都来自天然气。电解器的需求逐渐减少。

这在过去几年里已经发生了变化。根据机器消耗的电力量来衡量，全球电解器销量从2020年的200兆瓦增长到2021年的458兆瓦，根据清洁能源研究集团BloombergNEF的数据。据BNEF预测，今年预计将增长到1,839兆瓦至2,464兆瓦，可能会像太阳能十年前经历的那种“曲棍球杆”时刻。

电解器的“曲棍球杆”时刻

根据BNEF最保守的估计，电解器销量预计今年将增长三倍

来源：BloombergNEF

康明斯公司燃料电池和氢技术副总裁艾米·亚当斯表示：“供应所有需求将会很困难。每个人都能够像人们期望的那样快速扩大供应基地吗？”

更具爆炸性增长的可能性还在前方。澳大利亚、中国、印度和西班牙已经宣布建立电解器“超级工厂”，每个工厂每年能够生产足够的电解器，以至少使用1,000兆瓦的电力。

美国RMI能源和气候智库气候相关产业项目经理帕特里克·莫洛伊表示：“当有人说他们要建立一个超级工厂时，他们指的是在一年内拥有比今天全球已安装的容量更大的产能。”

这些由康明斯公司制造的电解器堆使用“碱性”技术，采用液体电解质。碱性电解器含有比PEM单元更少的稀有金属，成本也更低。摄影师：来源：康明斯公司。每兆瓦电力可以产生的氢气量不同，这使得产品和项目之间的比较变得困难。根据BNEF的数据，最流行的电解技术平均需要51至54千瓦时的电力才能产生一公斤氢气。

潜在的想法可能很古老，但创新却很多。电解器有三种基本类型——碱性、质子交换膜（PEM）和固体氧化物——各有优缺点。所有这些类型都涉及水与带有相反电荷的电极和电解质（有时是液体，有时是固体）发生反应。竞争对手们正努力完善每种技术。他们正在减少使用昂贵的铱等催化剂，并想出更好的方法来制造这种产品，直到现在，这种产品大多是手工组装的。

Plug Power拥有用于在高温高压下测试新材料的较小堆叠。摄影师：Adam Glanzman/Bloomberg推动所有这些的是对清洁、无碳燃料的需求。如今，太阳能和风能在世界许多地方的成本已低于新的化石燃料发电，但大规模储存这种电力仍然困难且昂贵。而一些东西，比如钢铁厂和喷气式飞机，不能轻松地依靠电力运行。一种可以生产、储存、运输和使用而不会向大气中排放捕捉热量的碳的分子将更有效。全球各国政府和公司都在押注氢气将成为那种分子。

“您需要长期储能，并且需要将其从一个地方运输到另一个地方，” Bloom Energy Corp.首席执行官KR Sridhar说，这家老牌清洁技术公司现在正在涉足电解器市场。他说，大规模电池只能提供几个小时的能量，而且不便携。Sridhar说：“你不会在澳大利亚充电一个大电池，然后把它运到日本，放电后再运回澳大利亚。”

氢是宇宙中最常见的元素。但在地球上，它通常与氧、氮、碳或其他元素结合在一起。要将氢用作燃料，必须将其从这些化合物中分离出来。可以用一系列令人眼花缭乱的方式来实现这一点，每种方式都由不断扩大的色轮上的特定颜色代表。今天占主导地位的氢形式，从天然气中提取的，被称为“灰色氢”。从该过程中捕获二氧化碳，就被称为“蓝色氢”。使用可再生能源和电解器从水中提取氢气，就得到“绿色氢”。将电解器插入核电厂，就是“粉色氢”。目前，绿色氢的成本远高于灰色或蓝色：根据BNEF的数据，绿色氢的价格可能高达每公斤9.62美元，而蓝色氢为2.72美元。但这种情况可能不会持续。BNEF预测，到2030年，绿色氢将在该分析服务跟踪的每个国家中比蓝色氢更便宜。

Plug Power的“Merrimack”堆叠技术是基于用于为潜艇提供氧气的电解器技术。摄影师：亚当·格兰兹曼/彭博社对于许多氢能倡导者来说，电解器是实现可再生能源承诺的关键。它可以将正午从太阳能电站涌出的多余电力转化为燃料，随时供使用。

“这就是电力的一个特点 — 我们作为消费者希望在需要时得到它，而可再生能源并不总是按照我们的需求运行，” 布鲁姆能源的开发工程总监伊恩·拉塞尔说。

布鲁姆的两台电解器矗立在加利福尼亚州弗里蒙特一座低矮的工业建筑物后面，就在特斯拉公司最初的汽车工厂附近。它们高七英尺，光滑、圆润的外壳弹出并向上展开，露出一堆电路板、红色和橙色的电线，以及一个金属核心，其中包含将水蒸气分解为氢气和氧气的“热盒”。核心的温度在摄氏750至800度之间 — 炽热的1472华氏度 — 但触摸其外部，感觉温暖。唯一的声音来自顶部一排风扇的嗡鸣声。

布鲁姆公司以燃料电池为基础，这些设备通过电化学反应而不是燃烧产生电力。现在，这家圣何塞公司正在销售使用大部分相同技术但方向相反的固体氧化物电解器。氢燃料电池将氢气和氧气结合成水并产生电力 — 电解器则相反。它们几乎是彼此的镜像。

“我们正在借助我们在燃料电池领域的良好记录，” 拉塞尔说。“我们已经知道如何做到这一点，制造技术、现场服务计划以及全球供应链 — 我们已经掌握了这些。”

Plug Power也是从燃料电池起步，然后才加入电解槽，而且有几家竞争对手都在销售两者。2019年，康明斯花费2.9亿美元收购了Hydrogenics Corp.，用于其燃料电池，认为这可以帮助康明斯的矿业和重型运输客户脱碳。但是Hydrogenics也开发了电解槽，现在看起来这似乎是更好的业务，管理董事Alex Savelli说。

“我们意识到电解槽的机会可能和甚至更大，并且可能会比燃料电池更快地发生，”他说。“有时候，幸运也是可以的。”

一台康明斯PEM堆。PEM和碱性电解槽 — 还有一种叫做“固体氧化物”的类型 — 有不同的卖点。但到目前为止，碱性电解槽在全球销售中占主导地位。摄影师：来源：康明斯公司。每种类型的电解槽都有其卖点。例如，碱性电解槽往往是最便宜的，已经成为中国制造商的首选技术。他们试图在价格上击败全球竞争对手 — 就像十年前的太阳能电池一样 — BNEF报告称，目前中国的碱性电解槽的成本比西方制造的可比单位低73%。PEM技术使用更多的稀有金属，成本更高，但它可以比碱性电解槽更快地启动，如果电源像太阳和风那样变化无常，这是值得考虑的事情。

氢已经成为中国政府的优先事项，电解槽是推动的重要组成部分。今年，电解槽在那里的交付量可能超过1600兆瓦，主要是来自国有企业的订单，如石油和天然气巨头中石化和中石油，以及像煤基化工公司宁夏宝丰能源集团这样的高排放公司。如果说有什么，需求增长速度比生产速度更快。制造这些设备的公司 — 包括世界上最大的太阳能制造商之一龙绿能源 — 不想将自己局限于中国市场。

Plug Power “Allagash” 堆叠式电解槽的顶部。据该公司称，单个单位中最多可包含 10 个这样的电解槽，每天可产生 4.5 吨氢气。摄影师：Adam Glanzman/Bloomberg“现在订购电解槽相当困难，”清华大学核能与新能源技术研究所教授毛宗强说道。“供应无法满足需求。”

最终，客户可能涵盖多个行业。石油公司需要氢气用于其炼油厂，氢气有助于降低燃料的硫含量，尽管许多公司有自己从天然气生产氢气的方式。但半导体和 LED 工厂也使用氢气，并且可以从现场生产中受益。电解槽将提供这种服务。太阳能电站和风力发电场的所有者可能希望增加电解槽，就像他们今天为项目添加电池一样。

“我们只是刚刚开始探索这个行业的未来，”Plug Power 电解槽业务总经理 Ole Hoefelmann 表示。