氢能是理想的清洁二次能源，但尚未被大范围应用，瓶颈就在于产氢成本高、用氢价格高。当前，我国市场上每公斤绿氢售价为50~60元，约是石油、煤炭、天然气等其他能源价格的十数倍。全球都在致力于研究开发低成本绿氢生产技术和应用模式，为5元/公斤的绿氢奋斗。在近日举办的石化化工“行业发展趋势与未来”论坛上，上海牧溢投资咨询有限公司执行董事、中国气候投融资专委会委员曹卫球先生介绍了其在低成本制氢方面的观点和实践成果。
第一类绿氢制备技术是水电解制氢技术。用绿电电解水生产绿氢是一种非常普遍的制氢技术，这类制氢过程中需要大量纯水。因为电解水制氢过程中若用低质水，会导致电极很快被腐蚀，缩短寿命。“电解槽中部分部件，如隔膜、催化剂、质子交换膜(PEM)和多孔传输层，都可能受到铁、铬、铜等水中杂质的破坏。这便要求电解水的电导率小于1微西/厘米，总有机碳小于50微克/升，也就是所谓的纯水。”曹卫球解释道。
电解水制氢究竟需要消耗多少水?曹卫球做了一番计算。如果绿氢每年总产量为2050万吨，则需消耗1.8亿吨纯水，也就是需要32个10万吨的海水淡化工厂，或者24个10万吨的自来水工厂提供超滤淡水，而每项方案都极为占地耗力。“在缺水地区，这些基础设施消耗的水将会和当地的生活用水、农业用水、工业用水形成恶性竞争。不但如此，建设此类基础设施会直接增加本区域的生态足迹、碳足迹以及温室气体排放总量和排污总量。”曹卫球表示。
如何降低生态和环境影响?曹卫球介绍了一种利用海水直接电解制氢的技术。其主要原理是将镍铁氢氧化物分层到硫化镍之上，硫化镍覆盖了镍泡沫芯。镍泡沫充当导体从电源传输电力，镍铁氢氧化物电极将水分离成氧气和氢气。在电解过程中，硫化镍形成保护阳极的负电荷层。正如两块磁铁的负端相互推挤一样，带负电荷的层会排斥氯离子，防止其到达核心部分的金属电极。2019年9月，一个初创企业团队应用类似的低成本电极保护材料提出了新一代电解水技术，其能效为98.7%，而传统电解槽的设备能效通常仅有70%~80%。这一技术的另一优点是电解槽通电产生氢气，断电产生氧气，氢气和氧气的产生有先后顺序，避免了氢氧直接反应发生爆炸的危险，也省去了分离膜的应用，从而大大简化了电解槽的构造、组装，降低了运行和维护成本。据研究人员估计，该设备的生产成本大约是现有技术的一半。
第二种技术是采用等离子体直接裂解的方法，从生物甲烷及高浓度污水(包括沼液)中生产氢气、氮气、一氧化碳、乙炔等气体和高纯度固体炭黑。该技术制氢过程中每生产一公斤氢耗电在10~20千瓦时，对比今天市面上电解槽每生产一公斤氢的耗电量大于40千瓦时，节省了一半以上的电力。这种技术将捕集到的甲烷分解成了单质固体碳和氢气，纳米级固体炭黑被生产出来后立即包装成为一类高附加值的工品，实现了完美的碳捕集与封存和利用(CCUS)过程。另外，该技术不需要任何催化剂，仅需要普通工业气体、循环水和绿色电力即可。通过紧凑的撬装系统设计，1兆瓦产氢量1吨/日的系统仅占地500~1000平方米。据曹卫球介绍，他正在积极推动相关各方共同搭建产业生态系统并落地试点该项目。
第三种技术是从空气中直接制氢。地球每天约有1200亿吨水蒸气从陆地和海洋进入到大气环流之中。这项技术将大规模水蒸气收集装置与电解水装置相结合，在阴极上产生的氢气可被收集管道存入存储装置。这一精巧的设计让电极产生氢气和氧气的过程被自然隔离开来，因此无需担心氢气和氧气相遇发生反应。另外，由于水蒸气的水质接近工业级纯净水，因此在沿海或者海洋环境下制氢无需海水淡化工厂和自来水厂的投入，大大节省了制氢成本。据曹卫球介绍，该技术在大规模生产过程中需要催化剂的帮助。目前研究团队正在沙漠地区矿区试点生产绿氢作为储能介质。据初步数据来看，沙漠地区生产一公斤氢耗电约需40~50千瓦时，这些电可由当地离网光伏和风电等发出的绿电提供。
低成本制氢技术将为氢能大规模应用提供坚实的基础。曹卫球坚信：“时移势迁，相信在技术的加持下，2025年全球涌现‘5元绿氢’不再是梦想!”
