在25°C分解1mol液態(tài)水以產(chǎn)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(yīng)的焓(ΔH)給出:
下圖顯示了總能量需求與溫度的關(guān)系。總能量需求幾乎與溫度無關(guān)，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(xué)優(yōu)勢(shì)，特別是在有水蒸汽可用的應(yīng)用場景。
圖例說明：電解水和蒸汽的能量需求是溫度的函數(shù)。
由于通過電流的電阻(焦耳加熱)，電堆將產(chǎn)生一些所需的熱量。當(dāng)電堆產(chǎn)生的熱量等于反應(yīng)所需要的熱量時(shí)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(jīng)電堆時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)阻，所需求熱量由產(chǎn)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(yīng)。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(zhuǎn)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(tài)水的熱中性電壓為1.481V。
低于這個(gè)所謂的熱中性電壓的電池在運(yùn)行過程中會(huì)冷卻，而高于熱中性電壓的電池會(huì)產(chǎn)生多余的熱量。1.291 V的熱中性電壓對(duì)應(yīng)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(tài)水的最低能量需求約為39kWh/kg H2。
如上圖所示，當(dāng)反應(yīng)物是水蒸汽而不是液態(tài)水時(shí)，總能量需求會(huì)顯著降低(降低5.6 kWh/kg H2)。因此，在容易獲得蒸汽的應(yīng)用場景中，SOEL系統(tǒng)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(yùn)行。結(jié)果，產(chǎn)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(duì)應(yīng)的電壓。它用于計(jì)算電池和電堆的電壓效率。使用低熱值(LHV)可以對(duì)水蒸氣進(jìn)行類似的計(jì)算。25℃裂解水蒸氣的熱中性電壓為1.253 V。然而，在全系統(tǒng)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(jù)Buttler和Splethoff于2018年發(fā)布的一份市場調(diào)查，顯示商業(yè)化的堿性電解槽的額定效率在63-71%LHV范圍內(nèi)，H2的比能耗為4.2~4.8 kWh/Nm3。當(dāng)考慮到整流和公用設(shè)施（不包括壓縮）的系統(tǒng)綜合時(shí)，ηLHV降低至51-60%，產(chǎn)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(tǒng)效率的性能提升似乎僅限于大約 100-300 kW 的系統(tǒng)尺寸（見下圖 ）。這很可能是由于一定尺寸以上的系統(tǒng)的模塊化導(dǎo)致。根據(jù)目前制造商公開提供的數(shù)據(jù)，堿性電解槽的最先進(jìn)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(guān)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(chǎn)生的效率增加會(huì)減少。
PEMWE反應(yīng)器的LHV效率在60 ~ 68%之間，能耗為4.4 ~ 5.0 kWh/Nm3在系統(tǒng)水平上，與堿性電解反應(yīng)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(tǒng)(也包括堿性系統(tǒng))，通常低于0.5 MW，顯示的效率會(huì)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(tǒng)能耗曲線。它們中的大多數(shù)能夠在1~2 A/cm2之間工作，在2 A/cm2時(shí)，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(dá)到1 A/cm2(見上圖)。
圖例說明：PEMWE I-U曲線和細(xì)節(jié)(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(jìn)口的蒸汽在電堆出口轉(zhuǎn)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(huì)增加電阻，因此每公斤產(chǎn)生的氫氣的能耗也會(huì)增加，如下圖所示。
由于電解質(zhì)中的導(dǎo)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(yùn)行電解槽，以減少電池面積，從而降低資本支出成本。
在系統(tǒng)層面，由于周圍環(huán)境的熱損失(1~3%)、壓縮機(jī)/鼓風(fēng)機(jī)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(huì)進(jìn)一步降低。總體效率將取決于系統(tǒng)是用高溫蒸汽還是需要蒸發(fā)和加熱水。生產(chǎn)H2的輸出壓力也會(huì)影響效率(輸出壓力越高效率越低)。
Sunfire報(bào)告稱，在150°C的蒸汽輸入下，整體系統(tǒng)效率(LHV到AC)為84%，對(duì)應(yīng)于38 kWh/kg H2的功耗。到2030年，通過提高系統(tǒng)效率，效率預(yù)計(jì)將提高到88%。Bloom Energy報(bào)告系統(tǒng)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(bào)告的，這需要在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行。對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行(變化的負(fù)荷/生產(chǎn)速率)，由于需要更高的氣流來維持堆內(nèi)的恒定溫度，因此需要更高的鼓風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)功耗。通過設(shè)計(jì)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(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦氫科技網(wǎng)）：電解水理論能耗以及各產(chǎn)品實(shí)際能耗問題
