電解槽在氫能源系統中的作用以及未來氫氣生產方式

氫作為一種能源載體可以支持一個更靈活、更有彈性和更綜合的能源系統，補充日益增長的電氣化。它為供熱、運輸和工業等難以減排的行業提供了長期脫碳的機會，在這些行業，由于技術、經濟或地理限制，電氣化可能不適合。

下圖1顯示了整個氫能源系統，其中電解制氫生產以綠色突出顯示。電解制氫是通過用電將純水分離成氫和氧分子而產生的。電解槽，或更準確地說，電解電堆，是電解制氫系統的主要電化學組件。電解電堆是電解系統中的主要部件，由水電供應、冷卻和凈化等功能所需的輔助部件支撐。從電解堆中產生的氫氣通過分離和干燥過程進行凈化，而氧氣被釋放到大氣中，或者可以被捕獲或儲存以供應其他工業過程。氫可以通過燃料電池(可用于電力或運輸應用)直接用于發電，也可以燃燒產生熱量，也可以用作化工或工業過程原料。它也可以以氣體或液體的形式儲存，以后用于發電，以緩解能源需求的高峰。在未來，氫氣可能會被注入天然氣國家輸送系統，提供天然氣的低碳替代品，盡管這取決于有關混合的立法獲得批準。

圖1：氫能源系統

與采用碳捕獲、利用和儲存(CCUS)技術的天然氣制氫相比，電解制氫的一個關鍵優勢在于，它在生產過程中不會產生排放。電解制氫還補充了不斷增長的可再生能源容量，使剩余的電力生產能夠用于制氫，而不是以高成本去削減電網的供應。然而，電解目前是最昂貴的制氫方法，盡管由于規模經濟和可再生電力變得更便宜，預計這將在未來幾年減少。

如上圖1所示，電解制氫可以通過一系列電力來源產生，包括直接電網連接，直接連接到可再生能源或電網/直接連接電力的混合。然而，只有直接連接到可再生能源才能保證零碳電力，隨著更多的可再生能源發電連接到國家電網，預計未來十年電網排放對氫氣生產的影響將減少。越來越多的人正在研究海上風力發電站的海上氫氣生產，這將需要更多的管道將氫氣輸送到使用點。

以下為未來氫氣生產的形式：

未來的電解制氫氣生產系統可能有幾種不同的形式，這取決于系統的規模，是位于陸地上還是海上，以及氫氣生產是集中還是分散。在這個階段，形式的組合是不確定的，但可能是以下一些元素的組合:

1、大規模海上制氫

氫氣可以在海上集中平臺上生產，也可以在利用海上風力的單個渦輪機內生產。這些系統的規模可能從100兆瓦(MW)到幾吉瓦（GW）不等。這種類型的生產可能由海上風電開發商主導。這些系統既可以通過新的或現有的管道將天然氣輸送到陸上，也可以直接向海上地下儲存庫供應氫氣，或者直接從能源島出口到全球各地。下圖2顯示了這樣一個系統。

圖2：大規模海上制氫

2、海上風電在陸地的大規模制氫

如果電網足夠強大，海上風能開發商可能會選擇電力而不是氫。在這種情況下，大規模生產可以位于沿海地區，利用岸上的電力，并在限制時間內支持電網。這些系統的規模可能從100兆瓦到幾吉瓦（GW）不等。與海上生產一樣，這些氫氣可以通過新的或現有的管道運輸，直接向海上地下儲存供應氫氣，或者通過附近的港口設施出口全球各地。下圖3顯示了這樣一個系統。

圖3：大規模陸地制氫

3、大規模集中生產

氫氣生產可能會集中部署在有多余的用于電解槽的關鍵部件，電力和水等地區。這些地區可以接入大容量電網，或者直接連接陸上可再生能源，如風能或太陽能光伏。由于它們的電網連接，它們可以以產量運行，以確保穩定的生產。這些系統的規模可能從100兆瓦到千兆瓦不等。集中生產很可能通過管道輸送到大型儲存設施、需求中心或出口終端。下圖4顯示了這樣一個系統。

圖4：大規模集中制氫

4、小規模分散生產

有幾種不同的分散式氫氣生產模式。這些系統可以由當地的可再生能源系統供電，以滿足當地的工業需求。或者它們可以位于城市地區，并連接到電網，為當地的交通樞紐提供彈性的氫氣生產。這些系統的規模可能從幾兆瓦到100兆瓦。這些很可能還需要某種形式的本地存儲。下圖5顯示了這樣一個系統。

圖5：小規模分散式氫氣生產模式

文章來源：氫眼所見
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