绿氢可否成为世界上最可持续的能源来源？

能量，如物理定律所述，既不能被创造，也不能被摧毁；它只能被转换。这使得「可再生能源」一词有点用词不当，也许应该重新命名为取之不尽的能源。同样的，这需要一些背景讯息的说明。从概念上讲，将取之不尽的能源不断转化为有用的工作，似乎是比使用不断自我再生的能源的想法更容易实现—而且完全地可以持续。

基于所有的实际原因，可再生能源往往是取之不尽的能源之代名词。这些包括太阳、风和海潮。由于转换能源需要更多的能源，因此使用一种有效地取之不尽的能源是具有可持续意义的，因为转换的工作是否效率很低并不重要。

在一个可以根据供应来控制能源消耗的世界中，将自然能源转换为工作将是最可持续的方式。但从很久以前，人类的聪明才智成功地利用了其他形式的可耗尽能源。这造成了对能源的依赖，而这种依赖只会随着时间的进展而增加。因此取之不尽的能源供应目前就无法满足这种需求；但，事情正在发生变化。

取之不尽的能源所带来的问题

来自太阳、风或海浪的能源仍然不是我们唯一能源，其中的原因很复杂。可以说是技术还不够成熟，或者是效率太低。其他如云量和风的不可控制性，也是原因。

而成本更是一个无法忽视的重要因素。但是，就算我们暂时忽略它，问题也不会就这样消失。能源的基础建设随着需求而发展。这包括了涡轮机（无论它们如何转动）和墙上的插座之间的每个阶段。需求是这里的相关字，因为人们期望电力能够依需求供应，而且是且充足的。

这将焦点聚集在具有取之不尽的能源的真正问题上：将其存储起来，直到需要为止。作为一个连续的过程，有许多方法可以将这些能源转换为电力。然而，我们还没有开发出储存原始能源的有效方法，因此必须将所产生的电力用掉或储存。

电池技术是解决这个问题的明显方法。有很多研究致力于开发能够提供能量密度更高、泄漏更少和运转更快的电池。与此相关的挑战是众所周知的，包括了对稀土金属的需求或有毒化学品的使用。而开采这些材料也成为一项挑战。

2021 年，美国能源部宣布了其 Energy Earthshots™计划，迄今为止，该计划包括三个项目：Hydrogen Shot™（2021 年 6 月 7 日发布）、Long Duration Shot™（2021 年 7 月 14 日发布）和 Carbon Negative Shot™（2021 年 11 月 5 日发布）。

(点击放大图片)

当在燃料电池中结合时，氢气和氧气会产生电和水，这使得电解槽成为系统中的关键部分。

相反地，Carbon Negative Shot鼓励的新概念是以低于 100 美元/净公吨二氧化碳当量 (CO2e) 的成本，大规模降低碳捕获和储存的成本。。Long Duration Shot的目标是在十年内将干净能源存储10多个小时（使用锂离子电池作为基准）的成本降低 90%。这个项目直接解决了上述挑战，即储存取之不尽的能源所产生的未使用电力。

三个当中的第一个项目，Hydrogen Shot，专注于在十年内将产生氢气的成本降低到每公斤1美元。目前，美国能源部 (DOE) 表示，从可再生能源生产氢气的成本约为每公斤5美元。该计划由能源效率和可再生能源办公室 (EERE) 下的氢和燃料电池技术办公室 (HFTO) 负责。涵盖了使用所有能源产生氢气的所有方式，包括可再生能源和核能，而只有电解。

以气体形式，氢气相对容易储存和运输。最近，产生的大部分氢气用于工业应用，而不是用作燃料。如果氢要成为主要的能源来源，就需要增加产量。在当今的氢经济中，氢的产生并不是特别环保，因此使用现有方法增加产量，可能会加剧温室气体排放问题。

将依赖转移到储存的氢气来产生的电力，只会将问题转移到氢气的产生上。因此必须尽快掌握氢气的产生、储存和运输。

除了使用燃料电池产生洁净电力（和水）外，氢气也可以和其他气体相同的方式燃烧并在涡轮机中使用。氢气也有当作内燃机 (ICE) 燃料的潜力，但这是一种使用氢气的效率较低的方式，并且在燃烧时会产生氮氧化物。

氢气的颜色

今天大多数氢是从甲烷中提取的，甲烷也会释放碳。这被称为灰氢，但如果碳被捕捉和储存，则被称为蓝氢。而在此过程中使用化石燃料的氢气通常被称为黑氢或棕氢。

如果使用的主要能源是基于核能的，氢通常是而明显是可以称为粉红氢、紫氢或红氢。一种相对较新的绿松石氢是使用甲烷热解制成的，它会产生氢和固体碳。如果所需热能来自可再生资源，这有可能成为一个低排放的过程；还可以更经济地捕捉和储存固体碳。

天然形成的氢有时被称为金氢或白氢，但据信它不会大量存在或不容易找到和开采。剩下的氢是通过电解产生的，使用取之不尽的能源作为主要能源。这包括仅使用太阳能，称为黄氢，或使用在此过程中不产生温室气体的可再生能源的任何组合，这就是我们现在所说的绿氢。

绿氢渐成潮流

现在有许多公司开发技术来产生或使用氢作为洁净能源的案例。透过绿氢，使用可再生能源为电解过程提供动力是有潜力的。然后可以将氢气储存起来并与氧气结合，在需要时依需求发电。

从概念上来说，这可以形成一个利用自然资源发电来自给自足的系统。电解槽将是系统中的许多关键部件之一，具有多种形式，包括聚合物电解质膜 (PEM)、碱性和固体氧化物电解槽。

若有丰富的水源，利用潮汐能从海水中来产生氢气是相当合理的。潮汐制氢储存及排放项目 (THyPSO)就是这样运作的。Tocardo和HydroWing两家公司合作来证明此一概念。平台存储其使用双向潮汐涡轮机所产生的氢气。平台上最多可以储存两周的氢气，直到通过加压软管将其转移到排放运输船中。

THyPSo 是在封闭系统中使用潮汐能和海水产生绿氢的概念验证。氢气储存在平台上，然后由运输船带走。（来源：HydroWing）

电解槽技术

许多创新者正在研究新型的氢气电解槽，但过程中通常会需要高压直流电流。

如果使用电网为电解槽供电，则需要将其交流耦合并整流为直流。当中有很多选择，但英飞凌推荐最简单的一种，即晶闸管。与使用IGBT模块相比，晶闸管解决方案成本更低、复杂性更低，而且还提供高功率密度。作为线路换向装置，相同的解决方案可以在任何线路频率下运行，但会包含谐波。

另一种解决方案是将二极管整流器耦合到用于DC/DC转换的 IGBT电路。这种方法将减少用于为电解槽供电的直流电中的谐波。同时还将提供更灵活的驱动器，以适应不同的操作模式或条件。但是，对于20MW或以上的高电流整流器，仍建议使用晶闸管。

安富利拥有英飞凌全系列的电源管理解决方案，涵盖低功率和高功率。包括英飞凌采用PQFN封装的OptiMOS™ 源极底置功率 MOSFET。这是翻转封装内的硅，因此源极通过导热垫而不是漏极连接到PCB。其他低功耗解决方案包括StrongIRFET™ 和OptiMOS 5和 CoolMOS™ 功率MOSFET，以及CoolGaN™氮化镓功率MOSFET。

高功率装置包括英飞凌的IGBT EconoDUAL™、EasyPIM™ 和 EasyPACK™模块，由 EiceDRIVER™ 系列栅极驱动器 IC提供支持。这些模块受益于英飞凌的PressFIT™ 装配技术，提供可靠的免焊功率模块安装。

(点击放大图片)

氢电解槽需要高功率直流电，可以由交流电源或可再生能源耦合的直流-直流电源产生。 （来源：英飞凌）

(点击放大图片)

晶闸管提供了一种简单但有效的方法，可以在氢电解槽中将交流电整流为直流电，但灵活度很低，并且输出端会出现谐波。 （来源：英飞凌）

(点击放大图片)

馈入基于 IGBT的 DC/DC 转换器的二极管整流器提供了更大的灵活性，但可提供给氢电解槽的功率有限。 （来源：英飞凌）

结论

我们对于绿氢抱有很多希望，但前方还有许多障碍。氢的生态系统目前不适合作为绿色燃料，但有潜力成为。这需要在每个阶段进行投资，而这就是真正的挑战所在。

与此同时，大大小小的创新者继续向前迈进，开发与改进基础技术，当生态系统的其他部分跟上进度时，就会需要这些技术的支持。按照目前的变化速度看来，应该很快就会发生。