文章編譯自以下文獻：
堿電解在陸地上已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)，具有較高的成熟度和良好的經(jīng)濟效益。然而在海上，人們對它在氫氣生產(chǎn)方面的經(jīng)濟表現(xiàn)知之甚少。堿性電解裝置用純凈水將其分子分解成氫和氧。純凈水，尤其是來自海洋的純凈水，有一個可變的成本，最終取決于它的質(zhì)量（水中雜質(zhì)的含量狀況）。純凈水中存在的雜質(zhì)對堿性電解裝置的電解液有不利的影響，導(dǎo)致它們的效率下降。這反過來又意味著電力成本增加造成經(jīng)濟損失。另外，在海上，關(guān)于電解液管理有多種選擇，其成本取決于各種因素。所有這些因素最終都會影響到氫氣的成本。本文旨在闡明在海洋條件下運行的堿性電解裝置的經(jīng)濟性能。
一、經(jīng)濟性問題的定義（平準(zhǔn)化成本：LCOH）
在可以衡量任何制氫方法的經(jīng)濟行為的關(guān)鍵績效指標(biāo)中，具有代表性的就是氫的平準(zhǔn)化成本(LCOH)，因為它代表了以當(dāng)前貨幣計算所需的每單位質(zhì)量的氫投資所需的具體成本和生產(chǎn)中涉及的資產(chǎn)運營成本。LCOH可以概括為:
Total estimated life cycle costs：生命周期總費用
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目的步是分解估計的總生命周期成本。下圖1提出了一個方便的氫氣生產(chǎn)成本細分，將在以下小節(jié)中詳細介紹.
圖1：海洋環(huán)境中氫氣生產(chǎn)成本的擬議細分。在這項工作中，完好狀態(tài)是指任何部件都沒有受到損壞的狀態(tài)對圖1中所示的不同成本項目的影響進行評估的參數(shù)是：水純度、電流密度、操作溫度、操作壓力和電解液更新與時間之間的關(guān)系。
1.水的凈化
表1總結(jié)了從海水中生產(chǎn)1立方淡化水的典型成本，以及水中典型雜質(zhì)含量可以看出，當(dāng)雜質(zhì)含量降低時，產(chǎn)品水的成本有增加的趨勢。
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。
表1：海水和電滲析中微咸水的產(chǎn)水成本和典型雜質(zhì)含量綜述。較寬的成本間隔可能是由于規(guī)模經(jīng)濟的存在或投入能源的不同成本導(dǎo)致：
產(chǎn)出的淡化水可以進一步處理，將雜質(zhì)含量降低到與超純水相當(dāng)?shù)乃?，含鹽量在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)率或電阻率的測量方法。例如，Nel要求去離子水至少達到ASTM D5127 II型(>1 MΩ/cm)，但推薦去離子水達到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)水中的積累不僅會增加給定電流密度下的工作電壓，還會導(dǎo)致電池失效（備注說明：PEM對水中的雜質(zhì)更敏感）。目前認(rèn)為，進水中存在的雜質(zhì)會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)。這些費用包括海域的使用權(quán)或土地的租賃費、人員工資、資本開支和保險等。資本支出將與所需的投資規(guī)模成線性關(guān)系。預(yù)計到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）。然而，在中國，預(yù)計將接近135美元/千瓦（國內(nèi)產(chǎn)品價格優(yōu)勢明顯）。
由上式(1)可知，在成本不變的情況下，H2的生產(chǎn)質(zhì)量（重量）越高，LCOH越低，即固定成本不變的情況。從LCOH的角度來看，限度地提高氫氣產(chǎn)量，從而稀釋固定成本部分是很有益的。因此，有必要大化j（電流密度）以增加氫氣的產(chǎn)量，因為在更高的電流密度下運行不會對固定成本產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)堿性電解裝置通常在0.20和0.40 A/cm2之間運行。從技術(shù)和安全的角度來看，存在一個電流密度的最小閾值，所有的電解技術(shù)都不應(yīng)該在這個閾值下運行，因為氫氣會交叉到電池的陽極側(cè)，而氧氣則會交叉到陰極側(cè)。這種交叉可能導(dǎo)致潛在的混合物比例在可燃性范圍內(nèi)危險，甚至在爆燃范圍內(nèi)。這可以通過將電解裝置劃分為獨立的電解槽模塊來解決，這些模塊可以參與或脫離單獨操作，以防止任何電解槽在電流密度的最小閾值下運行。從技術(shù)角度來看，目前尚不清楚電解槽的電流密度上限是多少?？雌饋?，如果冷卻系統(tǒng)能夠在非常高的電流密度下處理強放熱狀態(tài)，電解系統(tǒng)將能應(yīng)對長時間的高電流密度操作。否則，它們將在過載條件下運行。短期超負荷運行不僅是可能的，而且是可取的，因為它已被發(fā)現(xiàn)有利于氫氣生產(chǎn)的經(jīng)濟性。在高電流密度下工作的主要問題是電解槽由于極化增加會產(chǎn)生額外的能量損失，這在“能量成本"小節(jié)中有進一步的詳細解釋。盡管假設(shè)電流密度會以某種方式影響它們，但是關(guān)于電流密度如何影響電解槽組件降解的研究還不夠?？梢哉J(rèn)為，增加電流密度會增加水的消耗率。這反過來又會導(dǎo)致雜質(zhì)的更快積累，其中電解質(zhì)的存在會導(dǎo)致直接的性能損失和槽體中不同組件的惡化，例如電極上的結(jié)垢和隔膜中的孔堵塞。
3. 能源成本
能量成本是電解系統(tǒng)消耗的能量換算成貨幣。為方便起見，將能量成本分為完整狀態(tài)下的能量成本，即電解槽在不發(fā)生降解的情況下所消耗的能量，能量成本從該狀態(tài)開始增加。
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)?？赡骐妷旱碾妷翰畛艘允┘拥碾娏鳟a(chǎn)生電解堆中每個電池的功率損失。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表示施加在單個電池上的電壓。在下圖2中，和分別定義為和的函數(shù)。
圖2：電解反應(yīng)的一般極化曲線。電流密度越高，極化電壓越高。由于能源消耗，這將增加放熱行為和成本。在“固定成本"小節(jié)中，認(rèn)為電流密度j越高，固定成本對LCOH的貢獻就越低。相反，在本成本項中，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。
找到電流密度j的折中將取決于電解系統(tǒng)的投資成本和電力價格。如果電價為零，那么無論投資成本如何，最小LCOH將在無限高的電流密度j處找到。因此，假設(shè)電價越低，電流密度j越高LCOH就越低。在壓力下操作可以減小產(chǎn)品氣體氣泡的大小，從而改善在更高電流密度下的性能。此外，高壓會增加堿性電解質(zhì)的沸騰溫度，從而提高工作溫度。然而，這種操作方式會增加了氣體的交叉，導(dǎo)致前面描述的與獲得不希望出現(xiàn)的可燃混合物相關(guān)的危險。另外人們認(rèn)為，提高操作溫度和壓力會增加電池組件的腐蝕速率。
3.2 完整無損狀態(tài)下能量消耗增加
此成本項目增加了完整無損狀態(tài)下的能源成本。電解槽的正常運行將不可避免地導(dǎo)致電解槽元件的退化，從而導(dǎo)致性能損失。衰減可以是不同因素的組合，如雜質(zhì)組分污染腐蝕電解質(zhì)、電解質(zhì)損失、隔膜堵塞、電極結(jié)垢等。性能損失反映為額外的能量消耗，在給定的溫度、壓力和電流密度下，可以通過電池中的附加過電壓來觀察。還可以以增加抗性的形式監(jiān)測退化情況。目前尚不清楚不同的因素是如何影響性能衰減退化的。然而，高濃度的堿性電解質(zhì)、較高的溫度和壓力較高的電流密度和較高的雜質(zhì)含量可能會加速電解槽的衰減。關(guān)于衰減問題的文獻不多，但不同的報告和研究一致認(rèn)為，電壓隨時間增長的趨勢可能是線性的。
水純度似乎是堿性電解槽衰減的一個關(guān)鍵參數(shù)。隨著時間的推移，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，電極上可能會產(chǎn)生結(jié)垢，從而降低其效率。雜質(zhì)可能會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權(quán)衡?？梢约僭O(shè)，如果電價降低，那么達到這種平衡所需的水純度可能會下降，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)。并會產(chǎn)生相關(guān)費用。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。
電解液管理包括所有旨在將電解液濃度以及雜質(zhì)含量保持在接近初始狀態(tài)水平的過程。僅僅通過電解水產(chǎn)生氫，部分電解質(zhì)就會被排出系統(tǒng)。據(jù)估計，每產(chǎn)生1Nm3的氫氣，大約有1mg的KOH隨氣體離開系統(tǒng)。因此，必須逐漸提供新的電解質(zhì)來彌補這種損失。除此之外，存在于給水中的雜質(zhì)傾向于在電解質(zhì)中積累，增加了對導(dǎo)電離子的歐姆電阻。雜質(zhì)還可以影響其他組分，如電極通過結(jié)垢，隔膜通過孔隙沉淀阻礙并通過加速腐蝕不同組分。增加給水凈化費用將降低電解液管理費用。然而，在以下幾點中，總結(jié)了為什么不可能找到給水和電解質(zhì)管理之間的權(quán)衡，由于缺乏這方面的研究。更換電解液涉及電解液的獲取及其物流，這將取決于氫氣生產(chǎn)設(shè)施相對于其最近的內(nèi)陸港口的位置。當(dāng)電解液以NaOH為基礎(chǔ)時，另一種可能性是通過氯堿工藝從凈水過程中丟棄的海水鹽水中局部生產(chǎn)NaOH。這種方法消除了在海洋環(huán)境中運輸和處理濃苛性堿的必要性，在惡劣的天氣條件下，這可能是危險的。由于這個原因，電解液替換操作可能僅限于平靜天氣的日子。如前所述，電解質(zhì)更新之間的間隔將取決于從完整狀態(tài)的能量成本增加的速度以及電解質(zhì)替代的獲取和運輸成本。更換后，從完好狀態(tài)增加的能量成本應(yīng)歸零；然而，由于其他電堆組件的劣化，完整狀態(tài)的殘余性能損失可能仍然存在。目前，在文獻中，這種方法生產(chǎn)的原位氫氧化鈉的實際生產(chǎn)成本是未知的。因此，目前尚不清楚在什么情況下更適合在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)氫氧化鈉或從其他地方帶來新的電解質(zhì)。
為了確定電解質(zhì)替代和給水凈化之間的平衡，除了對通過小型輔助氯堿加工廠在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)氫氧化鈉進行技術(shù)經(jīng)濟研究外，還需要對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行提純可以通過不同的工藝來實現(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，需要進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現(xiàn)，但必須進行進一步的研究，以增加技術(shù)經(jīng)濟知識。
大多數(shù)電解液凈化工藝在氯堿工業(yè)中是廣泛流傳的，因為氯堿電池中產(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，因為用于轉(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。
電解堆組件在正常運行中會受到腐蝕、電極結(jié)垢和隔膜孔堵塞等形式的累積損傷，這些都反映了完整狀態(tài)下的能源成本增加。目前還沒有很好地研究進水中的雜質(zhì)，溫度和壓力如何影響組件的降解速度，盡管假設(shè)它們可以通過提高降解速度來影響。與電解液類似，在理論上，應(yīng)該可以通過更換或維護組件來恢復(fù)電解槽的完整無損狀態(tài)。在電解堆壽命的某一時刻，可以更換組件以恢復(fù)堆的初始效率。更換組件可能需要停止一段時間電解槽運行以進行大修。然而，目前尚不清楚這些程序的經(jīng)濟影響可能意味著什么，以及它是否比替換全部電解堆并出售退化的電解槽以進行報廢更具成本效益。
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)更新間隔時間)是否會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
下圖3總結(jié)了電解反應(yīng)的不同參數(shù)對氫氣平化成本(LCOH)內(nèi)不同成本項目的影響。成本項目之間的預(yù)期相互作用以及這些預(yù)期相互作用的存在，分為兩種不同的確定層次。
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)不同的成本項目，以及成本項目之間的相互作用。
應(yīng)如何閱讀矩陣的是通過實例解釋完成的。從操作參數(shù)如何影響不同的LCOH項開始，必須從左上角到右側(cè)讀取上圖3中的矩陣。例如，水純度的提高預(yù)計會增加水的凈化成本，但預(yù)計將降低能源成本的增加。例如，預(yù)計水純度的增加會增加水凈化成本，但期望降低能源成本，從完整狀態(tài)增加。轉(zhuǎn)到右側(cè)的三角矩陣，可以檢查驅(qū)動不同的成本項目之間是否會發(fā)生相互作用。水凈化成本和能源成本從完整狀態(tài)增加的交集單元顯示了放大鏡。這意味著有一個預(yù)期的交互，這意味著存在預(yù)期的相互作用，這意味著可能存在一個操作參數(shù)，必須在此基礎(chǔ)上進行權(quán)衡以優(yōu)化整體LCOH。空交叉單元，如凈水成本和固定成本之間的交叉單元，表明沒有預(yù)期的交互作用。帶有問號的單元格，如固定成本與從完整的狀態(tài)下增加的能源成本的交集，顯示出一種可能存在的相互作用，其確定性程度低于放大鏡。在這種情況下，問號反映了可能存在某些更昂貴的電解槽材料，這些材料可能會隨著時間的推移而減少其降解。一個潛在的權(quán)衡需要更多的研究努力來發(fā)現(xiàn)。問號也意味著更高的研究要求，以便澄清成本項目之間可能存在的相互作用，所涉及的操作參數(shù)及其權(quán)衡。所有這些因素最終或多或少地影響最終的LCOH。當(dāng)單個參數(shù)對各種成本項目產(chǎn)生相反的影響時，主要問題就出現(xiàn)了，這就導(dǎo)致了不確定性問題，必須找到權(quán)衡?？梢钥闯?，成本優(yōu)化問題本質(zhì)上是復(fù)雜的，需要多學(xué)科的方法。優(yōu)化單個成本項目可能會導(dǎo)致整體LCOH不理想。需要進行更多的研究，以深入了解不同成本項目之間的相互作用，并確定采用不同方法時的管理戰(zhàn)略。因此，一旦明確了不同的參數(shù)和管理決策如何影響不同的成本項目，就應(yīng)該遵循一個整體的方法來確定產(chǎn)生低LCOH的策略。策略取決于邊界條件，而邊界條件肯定會隨著時間和地點的變化而變化。還需要更多的研究來了解堿性電解系統(tǒng)在海上的經(jīng)濟性能。這些知識將有助于揭示它們在LCOH方面如何與陸地上的同類產(chǎn)品進行比較。為此，必須進行大量的實驗室實驗，以獲得所有LCOH項目的詳細經(jīng)濟模型。一旦這樣做了，就有可能以相對較高的準(zhǔn)確性執(zhí)行詳細的經(jīng)濟分析。
文章來源：氫眼所見
注：以獲得轉(zhuǎn)載權(quán)
掃一掃，關(guān)注微信
朱穎
咨詢電話