深圳新聞網2024年10月17日訊（深圳特區報記者 熊子恆）今年10月，中國工程院院士、深圳大學教授謝和平團隊以深圳大學和四川大學共建的深地工程智能建造與安全運維全國重點實驗室為第一單位，在Nature子刊上發表海水制氫最新成果，把世人的目光再次聚焦到氫能上。
氫能是全球公認的清潔能源，也是實現「碳中和」目標的重要途徑，未來綠氫有望成為氫能產業的主導力量。如何大規模獲取綠氫？獲得1公斤綠氫至少需要消耗9公斤水，在傳統電解水的技術路線中，巨量的淡水資源消耗是限制氫能發展的關鍵瓶頸之一。
陸地水資源有限，科學家們把目光投向海洋。然而，電解海水制氫需要消耗大量的電能，隨著「海上風電+海水制氫」技術逐漸成熟，如何大量製備綠氫這一難題正在得到有效解決。專家表示，海水制氫技術不僅需要適應複雜多變的海洋環境，還需要在電解裝備上克服多項難題，目前已經實現產業化示範應用，未來前景可期。
海水制氫是氫能發展必由之路
氫能已經成為日益重要的戰略能源。目前，全球公布氫能戰略的國家和地區已經超過50個，其不僅關係到經濟發展向綠色低碳轉型，更是保障能源穩定供應的重要路徑。
氫可作為高經濟性精細化工產品的原料，還可以作為冶金和精鍊過程中的還原劑，實現工業降碳的目標。此外，氫還可以直接作為能源提供給大型車輛、船舶使用，並作為長時間、大規模的儲能介質。
當前，我國主流的制氫方式包括化石能源制氫、化工副產氫、電解水制氫和生物制氫。隨著降碳的迫切需求和可再生能源發電的普及，未來綠氫占比將迎來飛躍式增長。業內預計至2060年全國80%的氫氣需求量將由綠氫提供，年綠氫供給將達到1億噸。
深圳清華大學研究院海洋氫能研發中心常務副主任鄺允表示，生產綠氫在源頭上不產生碳排放，其採用可再生電力分解水的方式得到氫氣。目前，電解水製取1公斤氫氣需要消耗9公斤水，如果加上輔助設施（如水純化裝備、冷卻裝備等）用水，製取1公斤氫氣的用水量甚至達到20公斤至30公斤。
「按照上述年綠氫供給量1億噸計算，對應的耗水量約為20億-30億噸。而我國可再生能源主要分布在西北和海上，都是淡水缺乏的區域，如果採用淡水純化再電解制氫的技術路線，水資源的大規模消耗成為瓶頸性問題。」鄺允說。
他表示，與淡水不同，海水資源豐富，儲量占全球總水資源總量的96.5%。我國已在沿海地區規模化布局了風力發電站，如果能把風電直接用於電解海水制氫，將獲取到海量的綠氫資源。這不僅降低了碳排放水平，也為大規模儲能提供了解決方案，攻克海水制氫技術成為了氫能發展的必由之路。
海水直接制氫須攻克兩項技術難題
海水制氫的研究最早於1975年提出，國內外眾多研究機構與學者在該領域從事了大量研究，主要聚焦於突破電極腐蝕、副產氯、連續穩定電解裝備研發等相關瓶頸問題。目前，國內外大多數研究團隊主要聚焦於催化劑和電極材料領域，國內對於海水制氫裝備研究更為領先。
據了解，實現海水制氫主要存在兩條技術路線：第一，含鹽海水直接電解制氫，該技術路線要針對催化劑、電極材料進行特殊設計，使得電極能夠在海水中穩定、高效電解，還不能產生副產物；第二，海水原位淡化純化再電解，其原理是利用先進隔膜材料，讓海水原位汽化穿膜，以純水水蒸氣形式進入電解槽，將其餘成分的離子都隔絕在隔膜之外。
鄺允介紹說，海水中含有大量的鹽分，其中以氯化鈉為主。直接電解海水制氫首先面臨的技術難題就是氯離子會使電解過程中產生氯氣，其腐蝕性也會導致裝備失效。另外，由於海上可再生能源發電具有波動性和不穩定性，在波動的工況下電解裝備極易出現安全問題。對此，深圳清華研究院技術團隊開發了高選擇性高活性的電極材料以及耐腐蝕的復合電極結構，同時設計了模塊化電解槽，實現電解系統在波動工況下的快速響應，保證安全穩定運行。
「在電解過程中，海水中微量離子例如溴離子、氟離子等鹵族離子、硫酸根離子會在電解過程中不斷富集，導致電極腐蝕，而高濃度的硫酸根離子還會在電解過程中參與反應，在電極表面吸附還原影響電解效率。」鄺允說。
他表示，考慮到這些問題，必須針對裝備進行防腐蝕處理，同時開發耐腐蝕的催化電極。在實際應用中，利用化學生長這項技術工藝把防腐蝕層和催化劑分別牢牢固定在電極上，組成海水制氫的核心部件，最終實現有選擇性的把海水分解成氫氣和氧氣。
確保氫能安全運輸服務市場應用
「發展海上風電必須考慮輸電成本，如果風力發電設備距離海岸線超過70公里，鋪設海底電纜就將面臨巨大的成本。在這樣的場景下，利用海水制氫技術進行氫儲能就是有效盤活風電資源的最佳方案。」鄺允說。
如何在海洋環境下實現氫能的安全運輸？對此，鄺允表示，海洋環境下的氫氣儲運有量大、距離長等特點，把氫氣以液體化合物形式儲運就是解決方案之一。其中有三條技術路線，第一條是常溫常壓有機液態儲氫技術，該技術通過可循環使用的有機液態分子作為儲氫媒介，加氫後的有機載體可利用現有運油船或海上油氣管網實現大規模、長距離的氫氣儲運。該技術無論是從經濟性、安全性還是運輸難度都有顯著優勢。
第二條技術路線是將氫氣就地製成甲醇，製備甲醇需要二氧化碳作為原料，而海水中溶解著大量的二氧化碳，可將所製得的綠氫與海水中的二氧化碳結合製成甲醇再運輸回岸。第三條技術路線是將氫氣就地製成綠氨，制氨需要氮氣作為原料，而空氣中含量最高的就是氮氣。甲醇和液氨在化工等領域都有著廣泛應用，作為化工原料具有較大市場空間。
新技術能否最終催生出新產業，製造成本也是必須考慮的因素。「海水制氫70%成本來自於能源消耗，15%左右來自設備成本，15%來自運維成本。在0.4元每度電成本下，海水制氫的成本大約為每公斤氫氣22元。隨著可再生能源裝備的規模化應用，綠電成本有望很快降低，海水制氫成本也將降低至10元以內。未來伴隨技術裝備開發與運維的成本下降，氫能產業將迎來黃金髮展期，成為推動能源綠色低碳轉型的關鍵力量。」鄺允說。