海上堿電解制氫經(jīng)濟(jì)效益展望

文章編譯自以下文獻(xiàn)：

一、經(jīng)濟(jì)性問題的定義（平準(zhǔn)化成本：LCOH）

Total estimated mass of lif e cycle produced H2：生命周期產(chǎn)生的氫氣總質(zhì)量（重量）

氫的總質(zhì)量可以通過積分整個(gè)生命周期產(chǎn)生的氫的質(zhì)量流量()來估算，這也可以用法拉第電解定律來計(jì)算：

式中：

j：為電流密度，

A：為電解池的活性面積，

z：為交換電子數(shù)量與氫物質(zhì)數(shù)量之比，

F：為法拉第常數(shù),

：為法拉第效率，

Ncells：為電解池中堆疊電池的數(shù)量，

了解不同的操作參數(shù)如何影響不同的成本項(xiàng)目的步是分解估計(jì)的總生命周期成本。下圖1提出了一個(gè)方便的氫氣生產(chǎn)成本細(xì)分，將在以下小節(jié)中詳細(xì)介紹.

1.水的凈化

通過反滲透(從海水中)和電滲析(從微咸水中)獲得的產(chǎn)出水的純度通常不符合大多數(shù)電解系統(tǒng)制造商的要求。雖然蒸餾方法可以產(chǎn)生符合某些電解槽制造商要求的鹽濃度的水(電導(dǎo)率低于1μS/cm)，但他們通常建議更高的純度。

產(chǎn)出的淡化水可以進(jìn)一步處理，將雜質(zhì)含量降低到與超純水相當(dāng)?shù)乃剑}量在ppb左右，電阻率> 18.1 MΩ/cm，符合制藥標(biāo)準(zhǔn)。處理脫鹽海水以提高水的純度以符合超純水標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5127，其成本增加幅度在2.38 ~ 5.28美元/立方米之間。一般來說，輸入水中雜質(zhì)含量越低，處理水的成本越高。

目前，行業(yè)內(nèi)沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電解系統(tǒng)的給水的低純度質(zhì)量。然而，不同的制造商指了他們需要和推薦的給水電導(dǎo)率或電阻率的測(cè)量方法。例如，Nel要求去離子水至少達(dá)到ASTM D5127 II型(>1 MΩ/cm)，但推薦去離子水達(dá)到ASTM D5127 I型(>10 MΩ/cm)。

提出這一建議的原因是，在堿性電解系統(tǒng)中，水雜質(zhì)會(huì)污染電解液，導(dǎo)致工作電壓升高，從而由于能量損失增加、隔膜孔中固體沉淀和電極結(jié)垢而導(dǎo)致成本增加。在PEM電解的情況下，雜質(zhì)在循環(huán)水中的積累不僅會(huì)增加給定電流密度下的工作電壓，還會(huì)導(dǎo)致電池失效（備注說明：PEM對(duì)水中的雜質(zhì)更敏感）。目前認(rèn)為，進(jìn)水中存在的雜質(zhì)會(huì)影響組分的腐蝕速率和降解速率。

固定成本包括所有不變的成本，與生產(chǎn)氫氣的數(shù)量或消耗的能源無關(guān)。這些費(fèi)用包括海域的使用權(quán)或土地的租賃費(fèi)、人員工資、資本開支和保險(xiǎn)等。資本支出將與所需的投資規(guī)模成線性關(guān)系。預(yù)計(jì)到2030年，基于堿性技術(shù)的集中式制氫設(shè)施所需投資在400-500歐元/千瓦之間（歐美市場(chǎng)）。然而，在中國(guó)，預(yù)計(jì)將接近135美元/千瓦（國(guó)內(nèi)產(chǎn)品價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯）。

3. 能源成本

圖2顯示了電解槽在給定工作壓力和溫度下的一般極化曲線。極化是為了克服不可逆性而必須從可逆電壓提供給電解反應(yīng)的額外電壓(過電壓)。可逆電壓的電壓差乘以施加的電流產(chǎn)生電解堆中每個(gè)電池的功率損失。隨著施加于電解反應(yīng)的電流密度的增加，極化(過電壓)，增加，從而增加放熱行為和能量損失。這可以從電解反應(yīng)效率（）的定義之一中看出：

隨著所施加的電池電壓(Ucell)的上升，下降，導(dǎo)致更高的能量損失。表示電解反應(yīng)的焓增量，表示熱中性電壓，表示電解反應(yīng)的自由吉布斯能增量，表示電解反應(yīng)的可逆電壓，表示可逆電壓產(chǎn)生的極化(過電壓)，Ucell表示施加在單個(gè)電池上的電壓。在下圖2中，和分別定義為和的函數(shù)。

在“固定成本"小節(jié)中，認(rèn)為電流密度j越高，固定成本對(duì)LCOH的貢獻(xiàn)就越低。相反，在本成本項(xiàng)中，完好狀態(tài)下的能量成本隨著電流密度j的增加而增加，而極化則隨著電流密度j的增加而增加。為了降低完好狀態(tài)下的能量成本，必須減小極化，因此必須減小電流密度j。

3.2 完整無損狀態(tài)下能量消耗增加

水純度似乎是堿性電解槽衰減的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。隨著時(shí)間的推移，雜質(zhì)在電解液中積累，濃度逐漸增加。雜質(zhì)濃度的升高降低了堿性電解質(zhì)的電導(dǎo)率，從而使固體在隔膜中沉淀，堵塞了孔隙，增加了離子電阻。由于電解液中雜質(zhì)的積累，電極上可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢，從而降低其效率。雜質(zhì)可能會(huì)加速不同組分的腐蝕由此產(chǎn)生的電解堆的性能損失將導(dǎo)致從完整狀態(tài)增加的成本。

前面討論過，一般來說，純凈水的純度越高，其成本就越高。因此，必須在水凈化的成本和從完整狀態(tài)增加的能源成本之間找到一個(gè)權(quán)衡。可以假設(shè)，如果電價(jià)降低，那么達(dá)到這種平衡所需的水純度可能會(huì)下降，這意味著它可能具有更高的雜質(zhì)濃度，更高的導(dǎo)電性或更低的電阻率。

為了使電解質(zhì)的雜質(zhì)含量恢復(fù)到初始狀態(tài)，可以更換或純化電解質(zhì)。并會(huì)產(chǎn)生相關(guān)費(fèi)用。因此，必須在電解質(zhì)劣化導(dǎo)致的完整狀態(tài)下的能源成本增加和電解質(zhì)管理成本之間找到權(quán)衡。其中一個(gè)可以優(yōu)化的參數(shù)是電解質(zhì)更新（更換）之間的周期。這個(gè)周期將取決于能量成本從完整狀態(tài)增加的速度，以及更新和/或凈化電解質(zhì)的成本。

為了確定電解質(zhì)替代和給水凈化之間的平衡，除了對(duì)通過小型輔助氯堿加工廠在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)*進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究外，還需要對(duì)從其他地方獲取苛性電解質(zhì)及其向氫氣生產(chǎn)設(shè)施的物流進(jìn)行更多的研究。

懸浮在電解液中的沉淀固體可以很容易地通過過濾去除。從電解液中去除溶解的離子進(jìn)行提純可以通過不同的工藝來實(shí)現(xiàn)。比如可以通過先將電解質(zhì)濃縮至飽和，然后沸騰去除氯，立即沉淀陽離子雜質(zhì)的氯化物來去除Na+以外的陽離子。其他技術(shù)和研究使用結(jié)晶法去除NaOH中的雜質(zhì)。

這些類型的凈化策略涉及使用輔助設(shè)備，這將涉及額外的投資。所有的凈化設(shè)備都會(huì)消耗額外的空間和能源，這將產(chǎn)生一系列的生命周期內(nèi)的成本。由于缺乏關(guān)于電解質(zhì)凈化策略的科學(xué)文獻(xiàn)，需要進(jìn)一步的研究來了解這些類型的策略是否可以有效地放在一起，以及它們的成本影響將是什么。

其他溶解在電解液中的金屬離子可以通過電解提取濃苛性堿去除，通過控制反應(yīng)溫度。這一過程似乎更容易實(shí)現(xiàn)，但必須進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以增加技術(shù)經(jīng)濟(jì)知識(shí)。

大多數(shù)電解液凈化工藝在氯堿工業(yè)中是廣泛流傳的，因?yàn)槁葔A電池中產(chǎn)生的苛性液需要一定的凈化步驟。因此，局部生產(chǎn)NaOH可能與電解液凈化策略具有協(xié)同作用，因?yàn)橛糜谵D(zhuǎn)換苛性液的相同工藝可用于從堿性電解裝置中去除電解液中的雜質(zhì)以用于制氫。此外，上述凈化過程之一涉及使用氯氣，氯氣是氯堿過程的產(chǎn)物之一。

可能有其他的翻新策略可以避免拆解堆棧。有相關(guān)技術(shù)描述了一種清潔陰極電極上積累的結(jié)垢的方法，該方法采用一套不同的步驟，包括用水、酸性水和使用電鍍?nèi)芤哼M(jìn)行洗滌循環(huán)，理論上可以恢復(fù)這些電極的初始性能。然而，諸如此類的方法將要求其余的電解槽組件與該過程所需的不同化學(xué)品兼容。

使用種或第二種策略的經(jīng)濟(jì)影響尚不清楚，需要更多的研究。此外，尚不清楚改變特定參數(shù)(如操作溫度和/或壓力、電解質(zhì)濃度、電流密度和電解質(zhì)更新間隔時(shí)間)是否會(huì)影響電解槽組件的退化，以及這種退化將在多大程度上導(dǎo)致能量成本從完整狀態(tài)增加。

二、結(jié)論

圖3：概述不同的參數(shù)如何影響氫氣平準(zhǔn)化成本(????C??)內(nèi)不同的成本項(xiàng)目，以及成本項(xiàng)目之間的相互作用。

文章來源：氫眼所見
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