日前，《自然—通訊》期刊發(fā)表了一項(xiàng)中國科研團(tuán)隊(duì)關(guān)于海水直接制氫的全新原理技術(shù)和海上綠電直接對接的可行性和穩(wěn)定性最新成果。
海水電解制氫將如何影響未來能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，技術(shù)突破又將如何帶動海水電解制氫的規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?《中國能源報(bào)》記者就此專訪了中國工程院院士、深圳大學(xué)教授謝和平。
在全球應(yīng)對氣候變化的大背景下，氫能產(chǎn)業(yè)正在加速發(fā)展，其中，電解水制氫技術(shù)因其清潔性正在逐步成為氫能產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向。然而一直以來，電解水制氫依賴淡水資源，給其規(guī)模化應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。海水直接電解制氫為未來電解水制氫，特別是綠氫生產(chǎn)提供了新的發(fā)展思路。
日前，《自然—通訊》期刊發(fā)表了一項(xiàng)中國科研團(tuán)隊(duì)關(guān)于海水直接制氫的全新原理技術(shù)和海上綠電直接對接的可行性和穩(wěn)定性最新成果。該成果基于中國工程院院士謝和平團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)的海水原位直接電解制氫全新原理技術(shù)，是全球首個(gè)海上風(fēng)電直接制氫的技術(shù)示范，首次實(shí)現(xiàn)了中國學(xué)者提出的全新原理技術(shù)在真實(shí)環(huán)境下的可行性和穩(wěn)定性，首次驗(yàn)證了海上風(fēng)電無淡化直接制氫抗海洋環(huán)境干擾的可行性。
海水電解制氫將如何影響未來能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，技術(shù)突破又將如何帶動海水電解制氫的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?《中國能源報(bào)》記者就此專訪了中國工程院院士、深圳大學(xué)教授謝和平。
瞄準(zhǔn)最具潛力路線
中國能源報(bào)：海水電解制氫愈發(fā)受到科研和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。在您看來，海水電解制氫的優(yōu)勢何在，將給能源領(lǐng)域帶來哪些變化?
謝和平：海水電解制氫的意義體現(xiàn)在三方面：一是海水資源非常豐富，如果能夠通過海水電解制氫，將不受陸地領(lǐng)土邊界限制，將取之不盡的資源轉(zhuǎn)化為綠色能源;二是全球氣候變化直接后果是海平面上漲而造成人類未來生存陸地面積逐漸減少，如果能規(guī)?；瘜?shí)施海水制氫，就能大量減少二氧化碳排放，可能在一定程度上延緩海平面上漲;三是未來隨著綠氫大規(guī)模制備和應(yīng)用，水資源短缺可能限制電解水制氫發(fā)展。預(yù)計(jì)2060年，我國氫氣需求將達(dá)1.3億噸，約消耗23億噸制氫用水，等于2000多萬人口的深圳市全年用水需求。而用海水直接電解制氫，不需要占有大量淡水資源，還能促進(jìn)綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在追求碳中和成為全球共識的背景下，能代替灰氫的電解水制氫必將成為全球氫能生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。海水直接制氫不僅是我們要解決的碳中和與氣候變化科學(xué)問題，也是未來氫能大規(guī)模發(fā)展比較迫切的現(xiàn)實(shí)問題。
中國能源報(bào)：您如何看待未來海水電解制氫技術(shù)發(fā)展的方向及趨勢?
謝和平：目前海水電解制氫主要有兩個(gè)技術(shù)方向：一是先把海水變成純水或預(yù)處理再電解制氫，二是用海水直接電解制氫。
海水先淡化或預(yù)處理再電解制氫的技術(shù)比較成熟。近年來，我國陸續(xù)有一些示范項(xiàng)目正在建設(shè)。但該方法會在兩個(gè)方面增加成本和能耗。一是將海水變成可以滿足電解水制氫水質(zhì)的純水，需要把海水進(jìn)行沉降預(yù)處理，然后增壓進(jìn)行多級反滲透，推高制氫過程成本。二是假如未來和漂浮式風(fēng)電結(jié)合的漂浮制氫平臺，就需要在漂浮平臺上設(shè)置水凈化或預(yù)處理系統(tǒng)，額外占用的平臺面積和載重會增加系統(tǒng)的工程難度和后期維護(hù)運(yùn)營成本。顯而易見，海水直接電解制氫將有望節(jié)約海水淡化成本和制氫系統(tǒng)的工程建設(shè)成本，是更具潛力的未來技術(shù)路線。
解決長期困擾難題
中國能源報(bào)：海水直接電解制氫的難點(diǎn)是什么?
謝和平：主要難點(diǎn)在于海水成分非常復(fù)雜。海洋是地球上最大的連續(xù)礦體，幾乎擁有自然界所有元素。這些元素可能影響電解水制氫反應(yīng)的正常進(jìn)行。比如，氯離子引發(fā)的析氯反應(yīng)有可能和本來該發(fā)生的析氧反應(yīng)競爭而導(dǎo)致催化劑腐蝕毒化;鈣、鎂等離子容易在電解反應(yīng)過程中形成沉淀物，像“血栓”一樣堵塞在制氫系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)關(guān)鍵位置上，導(dǎo)致電解系統(tǒng)失效。同時(shí)，不同時(shí)段、不同地理位置、不同深度的海水包含的離子、雜質(zhì)、微生物等成分差異非常大，海水成分差異和波動使催化劑和電解槽對海水水質(zhì)的兼容性也提出了非常大的挑戰(zhàn)。
半個(gè)世紀(jì)以來，全球眾多科學(xué)家圍繞催化劑工程、電解制氫工藝和膜材料隔離等方面開展了眾多海水直接制氫的研究探索，但目前為止，低成本、不受海水復(fù)雜影響的海水直接電解制氫仍是全球技術(shù)空白。
中國能源報(bào)：我國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)做了哪些工作，取得了哪些成績?
謝和平：基于對物理力學(xué)的深刻理解，我們團(tuán)隊(duì)提出和獨(dú)創(chuàng)了將物理力學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的相變遷移驅(qū)動的海水直接電解制氫全新原理和技術(shù)。簡單來講，相變遷移核心優(yōu)勢是可以在不額外增加能耗的情況下，將液態(tài)的水轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水，從而讓水分子從海水中高效分離出來，并用于電解制氫。
此后，我們在攻關(guān)研發(fā)過程中形成了三大原理技術(shù)：一是海水無能耗傳質(zhì)原理技術(shù)，二是電解質(zhì)自激發(fā)驅(qū)動的連續(xù)制氫原理技術(shù)，三是電解界面穩(wěn)態(tài)自調(diào)節(jié)原理技術(shù)。最終，我們自主攻關(guān)形成了全球首套400升/小時(shí)的制氫設(shè)備原理樣機(jī)，整體吊裝在海水里實(shí)現(xiàn)了3200小時(shí)的穩(wěn)定制氫。
2022年底，相關(guān)成果已被《自然》正刊接收。這是全球海水電解制氫領(lǐng)域的首篇《自然》正刊。《自然》評價(jià)稱，該團(tuán)隊(duì)解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的問題，將打開低成本燃料生產(chǎn)的大門，推動社會可持續(xù)發(fā)展。
推動新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化
中國能源報(bào)：上述技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化情況如何?
謝和平：論文在《自然》發(fā)表后，我們團(tuán)隊(duì)聯(lián)合東方電氣進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研合作，雙方簽署了合作協(xié)議，并組建聯(lián)盟共同推進(jìn)海水直接電解制氫技術(shù)的海試、工程示范和產(chǎn)業(yè)化。我們聯(lián)合設(shè)計(jì)了海水直接制氫的漂浮式平臺，并聯(lián)了三套原理樣機(jī)。2023年6月，經(jīng)中國工程院專家組現(xiàn)場考察后確認(rèn)，雙方開展的全球首次海上風(fēng)電無淡化海水原位直接電解制氫技術(shù)海上中試在福建興化灣海上風(fēng)電場獲得成功，驗(yàn)證了在海上直接和綠電對接做電解制氫的可行性，同時(shí)也驗(yàn)證了在不可控波動環(huán)境下、抗海洋風(fēng)浪的可行性。近日，該成果已在《自然—通訊》上發(fā)表。
中國能源報(bào)：未來如何進(jìn)一步推動海水直接電解制氫發(fā)展?
謝和平：從技術(shù)發(fā)展角度，我們提出了原理技術(shù)的迭代升級，加快步伐攻關(guān)第二代更高效、更高兼容性、更高穩(wěn)定性的分體式海水直接電解制氫核心技術(shù)及裝備，保持海水直接制氫技術(shù)的全球領(lǐng)先優(yōu)勢。應(yīng)用方面，下一步，我們要打造100標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)氫氣規(guī)模“制—儲—用”全鏈工程示范，打造全新的海水無淡化原位直接制氫產(chǎn)業(yè)賽道。未來，我們希望將團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性技術(shù)直接對接海上風(fēng)電等可再生能源，實(shí)現(xiàn)無海水淡化過程、無額外催化劑工程、無海水泵送輸運(yùn)過程、無海水污染處理過程以及無海水淡化預(yù)處理設(shè)備平臺的無需額外能耗海水原位直接電解制氫。這意味著，當(dāng)海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)為0.2元/千瓦時(shí)至0.3元/千瓦時(shí)，綠氫生產(chǎn)成本則約15.89元/公斤至21.49元/公斤，相比煤制灰氫9元/公斤至12元/公斤，以及天然氣制藍(lán)氫20元/公斤至24元/公斤，極具降本空間。同時(shí)，隨著未來海上風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和上網(wǎng)電價(jià)下降至0.1元/千瓦時(shí)左右及以下時(shí)，海水直接制氫成本有望低于煤制灰氫成本。
文丨中國能源報(bào) 記者 董梓童
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