电解水理论能耗以及各产品实际能耗问题

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本文给大家介绍电解水制氢的理论能耗以及全球部分企业的实际能耗状况，供大家参考。

一、电解水的理论能耗

在25°C分解1mol液态水以产生1mol氢气需要285.8千焦(高热值，HHV)的能量(237.2千焦为电，48.6千焦为热)。电解的能量需求由水分解反应的焓(ΔH)给出:

下图显示了总能量需求与温度的关系。总能量需求几乎与温度无关，而随着温度的升高，电能需求(吉布斯能，ΔG)减少，热需求(焓，TΔS)增加。这意味着在较高的操作温度下，可以以热量的形式提供更多的所需能量。因此，高温电解比低温电解具有固有的热力学优势，特别是在有水蒸汽可用的应用场景。

图例说明：电解水和蒸汽的能量需求是温度的函数。

由于通过电流的电阻(焦耳加热)，电堆将产生一些所需的热量。当电堆产生的热量等于反应所需要的热量时的电堆电压，就是所谓的热中性电压，由:

其中ΔH等于反应的熵，n是转移的电子数(=2)，F是法拉第常数。

在PEM和AWE电解槽中，由于电流和离子电流流经电堆时产生的内阻，所需求热量由产生的额外热量提供。这种热量需求可以直接追溯到电力供应。换句话说，285.8千焦(不是237.2千焦)的电能是在这些电解槽中分解水所需的最低电量。这转换成电池电压为1.481 V。热中性电压几乎不随温度变化而变化，电解水蒸汽的热中性电压约为1.291 V，电解液态水的热中性电压为1.481V。

低于这个所谓的热中性电压的电池在运行过程中会冷却，而高于热中性电压的电池会产生多余的热量。1.291 V的热中性电压对应的能量需求约为34.5 kWh/kg H2，这可以作为理论上电解水蒸汽的最大效率。电解液态水的最低能量需求约为39kWh/kg H2。

如上图所示，当反应物是水蒸汽而不是液态水时，总能量需求会显著降低(降低5.6 kWh/kg H2)。因此，在容易获得蒸汽的应用场景中，SOEL系统具有较大的效率效益。另一方面，由于过电压(激活过电压、欧姆电阻和浓度过电压)，低温电解槽需要在热中性电压以上运行。结果，产生了多余的热量，需要外部冷却。

热中性电压也是氢的高热值(HHV)对应的电压。它用于计算电池和电堆的电压效率。使用低热值(LHV)可以对水蒸气进行类似的计算。25℃裂解水蒸气的热中性电压为1.253 V。然而，在全系统效率的情况下，必须要包括来自外部源的电输入和热输入。

避免了LHV与HHV的争议，电解槽制造商已经将kWh/Nm3或kWh/kg作为系统效率的衡量标准。值得一提的是，当将电解槽系统和电堆效率与LHV相比较时，可达到的最高效率为83%(可逆自由能势(1.229 V)与热中性电压(1.481 V)之比)。

二、碱性水电解(AWE)

根据Buttler和Splethoff于2018年发布的一份市场调查，显示商业化的碱性电解槽的额定效率在63-71%LHV范围内，H2的比能耗为4.2~4.8 kWh/Nm3。当考虑到整流和公用设施（不包括压缩）的系统综合时，ηLHV降低至51-60%，产生的H2的能耗增加至5.0~5.9 kWh/Nm3。见下图中AWE IU曲线汇总：

图例说明：AWE IU曲线和细节(制造商和操作温度和压力）。

系统效率的性能提升似乎仅限于大约 100-300 kW 的系统尺寸（见下图 ）。这很可能是由于一定尺寸以上的系统的模块化导致。根据目前制造商公开提供的数据，碱性电解槽的最先进性能为~大约50 kWh/kg（仅供参考）。

图例说明：商业上可用的碱性电解槽的能耗与系统功率（图示可以看出，系统能耗基本在50kwh/kg H2以上，且在300KW以上会趋于稳定）

电堆效率与工作温度有很大关系。在碱性电解槽中，每升高10°C，电解槽电压(比能耗)降低0.01-0.1 V (0.02-0.24 kW h/Nm3)。然而，在更高的温度下，由热量产生的效率增加会减少。

二、PEM的能耗问题

PEMWE反应器的LHV效率在60 ~ 68%之间，能耗为4.4 ~ 5.0 kWh/Nm3在系统水平上，与碱性电解反应器相似，ηLHV降低到46 ~ 60%，能耗增加到5.0~6.5 kWh/Nm3。还需要注意的是，一般较小的系统(也包括碱性系统)，通常低于0.5 MW，显示的效率会较低。下面两图显示了不同厂商电堆的一系列IU曲线以及系统能耗曲线。它们中的大多数能够在1~2 A/cm²之间工作，在2 A/cm²时，记录到的电压在1.65V~2.5V之间变化，其中碱性电解槽只能达到1 A/cm²(见上图)。

图例说明：PEMWE I-U曲线和细节(制造商和操作温度和压力)。

图例说明：一系列市售PEM电解器的能源消耗与系统功率。（图示可以看出，系统能耗基本在52~54kwh/kg H2以上）

三、固体氧化物电解(SOEL)

在电堆层面，SOEL的最大效率受到蒸汽利用率(SU)的限制，SU被定义为提供给电堆进口的蒸汽在电堆出口转换为氢气的百分比。SU被限制在80-90%，以避免局部电流密度变化(由于温度变化)引起的局部水蒸汽欠缺。此外，效率取决于工作电流密度或电池电压。增加电流密度会增加电阻，因此每公斤产生的氢气的能耗也会增加，如下图所示。

由于电解质中的导电性提高，在较高的操作温度下效率更高。尽管功耗较高，但希望以较高的电流密度运行电解槽，以减少电池面积，从而降低资本支出成本。

图例说明：Elcogen电堆的能耗

在系统层面，由于周围环境的热损失(1~3%)、压缩机/鼓风机和气体分离单元的功耗以及逆变器的功率损失(3~5%)，效率会进一步降低。总体效率将取决于系统是用高温蒸汽还是需要蒸发和加热水。生产H2的输出压力也会影响效率(输出压力越高效率越低)。

Sunfire报告称，在150°C的蒸汽输入下，整体系统效率(LHV到AC)为84%，对应于38 kWh/kg H2的功耗。到2030年，通过提高系统效率，效率预计将提高到88%。Bloom Energy报告系统能耗为39 kWh/kg H2，蒸汽输入温度为120°C。特别说明，效率值通常是在接近热中性的情况下报告的，这需要在稳态条件下运行。对于系统的动态运行(变化的负荷/生产速率)，由于需要更高的气流来维持堆内的恒定温度，因此需要更高的鼓风机/压缩机功耗。通过设计更好的操作控制策略，提高效率也是有可能的。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：电解水理论能耗以及各产品实际能耗问题