在25°C分解1mol液態水以產生1mol氫氣需要285.8千焦(高熱值，HHV)的能量(237.2千焦為電，48.6千焦為熱)。電解的能量需求由水分解反應的焓(ΔH)給出:
下圖顯示了總能量需求與溫度的關系。總能量需求幾乎與溫度無關，而隨著溫度的升高，電能需求(吉布斯能，ΔG)減少，熱需求(焓，TΔS)增加。這意味著在較高的操作溫度下，可以以熱量的形式提供更多的所需能量。因此，高溫電解比低溫電解具有固有的熱力學優勢，特別是在有水蒸汽可用的應用場景。
圖例說明：電解水和蒸汽的能量需求是溫度的函數。
由于通過電流的電阻(焦耳加熱)，電堆將產生一些所需的熱量。當電堆產生的熱量等于反應所需要的熱量時的電堆電壓，就是所謂的熱中性電壓，由:
在PEM和AWE電解槽中，由于電流和離子電流流經電堆時產生的內阻，所需求熱量由產生的額外熱量提供。這種熱量需求可以直接追溯到電力供應。換句話說，285.8千焦(不是237.2千焦)的電能是在這些電解槽中分解水所需的最低電量。這轉換成電池電壓為1.481 V。熱中性電壓幾乎不隨溫度變化而變化，電解水蒸汽的熱中性電壓約為1.291 V，電解液態水的熱中性電壓為1.481V。
低于這個所謂的熱中性電壓的電池在運行過程中會冷卻，而高于熱中性電壓的電池會產生多余的熱量。1.291 V的熱中性電壓對應的能量需求約為34.5 kWh/kg H2，這可以作為理論上電解水蒸汽的最大效率。電解液態水的最低能量需求約為39kWh/kg H2。
如上圖所示，當反應物是水蒸汽而不是液態水時，總能量需求會顯著降低(降低5.6 kWh/kg H2)。因此，在容易獲得蒸汽的應用場景中，SOEL系統具有較大的效率效益。另一方面，由于過電壓(激活過電壓、歐姆電阻和濃度過電壓)，低溫電解槽需要在熱中性電壓以上運行。結果，產生了多余的熱量，需要外部冷卻。
熱中性電壓也是氫的高熱值(HHV)對應的電壓。它用于計算電池和電堆的電壓效率。使用低熱值(LHV)可以對水蒸氣進行類似的計算。25℃裂解水蒸氣的熱中性電壓為1.253 V。然而，在全系統效率的情況下，必須要包括來自外部源的電輸入和熱輸入。
根據Buttler和Splethoff于2018年發布的一份市場調查，顯示商業化的堿性電解槽的額定效率在63-71%LHV范圍內，H2的比能耗為4.2~4.8 kWh/Nm3。當考慮到整流和公用設施（不包括壓縮）的系統綜合時，ηLHV降低至51-60%，產生的H2的能耗增加至5.0~5.9 kWh/Nm3。見下圖中AWE IU曲線匯總：
系統效率的性能提升似乎僅限于大約 100-300 kW 的系統尺寸（見下圖 ）。這很可能是由于一定尺寸以上的系統的模塊化導致。根據目前制造商公開提供的數據，堿性電解槽的最先進性能為~大約50 kWh/kg（僅供參考）。
電堆效率與工作溫度有很大關系。在堿性電解槽中，每升高10°C，電解槽電壓(比能耗)降低0.01-0.1 V (0.02-0.24 kW h/Nm3)。然而，在更高的溫度下，由熱量產生的效率增加會減少。
PEMWE反應器的LHV效率在60 ~ 68%之間，能耗為4.4 ~ 5.0 kWh/Nm3在系統水平上，與堿性電解反應器相似，ηLHV降低到46 ~ 60%，能耗增加到5.0~6.5 kWh/Nm3。還需要注意的是，一般較小的系統(也包括堿性系統)，通常低于0.5 MW，顯示的效率會較低。下面兩圖顯示了不同廠商電堆的一系列IU曲線以及系統能耗曲線。它們中的大多數能夠在1~2 A/cm2之間工作，在2 A/cm2時，記錄到的電壓在1.65V~2.5V之間變化，其中堿性電解槽只能達到1 A/cm2(見上圖)。
圖例說明：PEMWE I-U曲線和細節(制造商和操作溫度和壓力)。
在電堆層面，SOEL的最大效率受到蒸汽利用率(SU)的限制，SU被定義為提供給電堆進口的蒸汽在電堆出口轉換為氫氣的百分比。SU被限制在80-90%，以避免局部電流密度變化(由于溫度變化)引起的局部水蒸汽欠缺。此外，效率取決于工作電流密度或電池電壓。增加電流密度會增加電阻，因此每公斤產生的氫氣的能耗也會增加，如下圖所示。
由于電解質中的導電性提高，在較高的操作溫度下效率更高。盡管功耗較高，但希望以較高的電流密度運行電解槽，以減少電池面積，從而降低資本支出成本。
在系統層面，由于周圍環境的熱損失(1~3%)、壓縮機/鼓風機和氣體分離單元的功耗以及逆變器的功率損失(3~5%)，效率會進一步降低。總體效率將取決于系統是用高溫蒸汽還是需要蒸發和加熱水。生產H2的輸出壓力也會影響效率(輸出壓力越高效率越低)。
Sunfire報告稱，在150°C的蒸汽輸入下，整體系統效率(LHV到AC)為84%，對應于38 kWh/kg H2的功耗。到2030年，通過提高系統效率，效率預計將提高到88%。Bloom Energy報告系統能耗為39 kWh/kg H2，蒸汽輸入溫度為120°C。特別說明，效率值通常是在接近熱中性的情況下報告的，這需要在穩態條件下運行。對于系統的動態運行(變化的負荷/生產速率)，由于需要更高的氣流來維持堆內的恒定溫度，因此需要更高的鼓風機/壓縮機功耗。通過設計更好的操作控制策略，提高效率也是有可能的。
來源：氫眼所見
原文始發于微信公眾號（艾邦氫科技網）：電解水理論能耗以及各產品實際能耗問題
