深圳新聞網(wǎng)2024年10月17日訊（深圳特區(qū)報(bào)記者 熊子恒）今年10月，中國(guó)工程院院士、深圳大學(xué)教授謝和平團(tuán)隊(duì)以深圳大學(xué)和四川大學(xué)共建的深地工程智能建造與安全運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一單位，在Nature子刊上發(fā)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(rèn)的清潔能源，也是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要途徑，未來(lái)綠氫有望成為氫能產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)力量。如何大規(guī)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(tǒng)電解水的技術(shù)路線中，巨量的淡水資源消耗是限制氫能發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。
陸地水資源有限，科學(xué)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(fēng)電+海水制氫”技術(shù)逐漸成熟，如何大量制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(shù)不僅需要適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境，還需要在電解裝備上克服多項(xiàng)難題，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用，未來(lái)前景可期。
海水制氫是氫能發(fā)展必由之路
氫能已經(jīng)成為日益重要的戰(zhàn)略能源。目前，全球公布?xì)淠軕?zhàn)略的國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)超過50個(gè)，其不僅關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展向綠色低碳轉(zhuǎn)型，更是保障能源穩(wěn)定供應(yīng)的重要路徑。
氫可作為高經(jīng)濟(jì)性精細(xì)化工產(chǎn)品的原料，還可以作為冶金和精煉過程中的還原劑，實(shí)現(xiàn)工業(yè)降碳的目標(biāo)。此外，氫還可以直接作為能源提供給大型車輛、船舶使用，并作為長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模的儲(chǔ)能介質(zhì)。
當(dāng)前，我國(guó)主流的制氫方式包括化石能源制氫、化工副產(chǎn)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(fā)電的普及，未來(lái)綠氫占比將迎來(lái)飛躍式增長(zhǎng)。業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)至2060年全國(guó)80%的氫氣需求量將由綠氫提供，年綠氫供給將達(dá)到1億噸。
深圳清華大學(xué)研究院海洋氫能研發(fā)中心常務(wù)副主任鄺允表示，生產(chǎn)綠氫在源頭上不產(chǎn)生碳排放，其采用可再生電力分解水的方式得到氫氣。目前，電解水制取1公斤氫氣需要消耗9公斤水，如果加上輔助設(shè)施（如水純化裝備、冷卻裝備等）用水，制取1公斤氫氣的用水量甚至達(dá)到20公斤至30公斤。
“按照上述年綠氫供給量1億噸計(jì)算，對(duì)應(yīng)的耗水量約為20億-30億噸。而我國(guó)可再生能源主要分布在西北和海上，都是淡水缺乏的區(qū)域，如果采用淡水純化再電解制氫的技術(shù)路線，水資源的大規(guī)模消耗成為瓶頸性問題?！编椩收f(shuō)。
他表示，與淡水不同，海水資源豐富，儲(chǔ)量占全球總水資源總量的96.5%。我國(guó)已在沿海地區(qū)規(guī)?；季至孙L(fēng)力發(fā)電站，如果能把風(fēng)電直接用于電解海水制氫，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(guī)模儲(chǔ)能提供了解決方案，攻克海水制氫技術(shù)成為了氫能發(fā)展的必由之路。
海水直接制氫須攻克兩項(xiàng)技術(shù)難題
海水制氫的研究最早于1975年提出，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者在該領(lǐng)域從事了大量研究，主要聚焦于突破電極腐蝕、副產(chǎn)氯、連續(xù)穩(wěn)定電解裝備研發(fā)等相關(guān)瓶頸問題。目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究團(tuán)隊(duì)主要聚焦于催化劑和電極材料領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)對(duì)于海水制氫裝備研究更為領(lǐng)先。
據(jù)了解，實(shí)現(xiàn)海水制氫主要存在兩條技術(shù)路線：第一，含鹽海水直接電解制氫，該技術(shù)路線要針對(duì)催化劑、電極材料進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使得電極能夠在海水中穩(wěn)定、高效電解，還不能產(chǎn)生副產(chǎn)物；第二，海水原位淡化純化再電解，其原理是利用先進(jìn)隔膜材料，讓海水原位汽化穿膜，以純水水蒸氣形式進(jìn)入電解槽，將其余成分的離子都隔絕在隔膜之外。
鄺允介紹說(shuō)，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(shù)難題就是氯離子會(huì)使電解過程中產(chǎn)生氯氣，其腐蝕性也會(huì)導(dǎo)致裝備失效。另外，由于海上可再生能源發(fā)電具有波動(dòng)性和不穩(wěn)定性，在波動(dòng)的工況下電解裝備極易出現(xiàn)安全問題。對(duì)此，深圳清華研究院技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了高選擇性高活性的電極材料以及耐腐蝕的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了模塊化電解槽，實(shí)現(xiàn)電解系統(tǒng)在波動(dòng)工況下的快速響應(yīng)，保證安全穩(wěn)定運(yùn)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(huì)在電解過程中不斷富集，導(dǎo)致電極腐蝕，而高濃度的硫酸根離子還會(huì)在電解過程中參與反應(yīng)，在電極表面吸附還原影響電解效率?！编椩收f(shuō)。
他表示，考慮到這些問題，必須針對(duì)裝備進(jìn)行防腐蝕處理，同時(shí)開發(fā)耐腐蝕的催化電極。在實(shí)際應(yīng)用中，利用化學(xué)生長(zhǎng)這項(xiàng)技術(shù)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(shí)現(xiàn)有選擇性的把海水分解成氫氣和氧氣。
確保氫能安全運(yùn)輸服務(wù)市場(chǎng)應(yīng)用
“發(fā)展海上風(fēng)電必須考慮輸電成本，如果風(fēng)力發(fā)電設(shè)備距離海岸線超過70公里，鋪設(shè)海底電纜就將面臨巨大的成本。在這樣的場(chǎng)景下，利用海水制氫技術(shù)進(jìn)行氫儲(chǔ)能就是有效盤活風(fēng)電資源的最佳方案?！编椩收f(shuō)。
如何在海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)氫能的安全運(yùn)輸？對(duì)此，鄺允表示，海洋環(huán)境下的氫氣儲(chǔ)運(yùn)有量大、距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，把氫氣以液體化合物形式儲(chǔ)運(yùn)就是解決方案之一。其中有三條技術(shù)路線，第一條是常溫常壓有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，該技術(shù)通過可循環(huán)使用的有機(jī)液態(tài)分子作為儲(chǔ)氫媒介，加氫后的有機(jī)載體可利用現(xiàn)有運(yùn)油船或海上油氣管網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長(zhǎng)距離的氫氣儲(chǔ)運(yùn)。該技術(shù)無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)性、安全性還是運(yùn)輸難度都有顯著優(yōu)勢(shì)。
第二條技術(shù)路線是將氫氣就地制成甲醇，制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，可將所制得的綠氫與海水中的二氧化碳結(jié)合制成甲醇再運(yùn)輸回岸。第三條技術(shù)路線是將氫氣就地制成綠氨，制氨需要氮?dú)庾鳛樵?，而空氣中含量最高的就是氮?dú)狻＜状己鸵喊痹诨さ阮I(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，作為化工原料具有較大市場(chǎng)空間。
新技術(shù)能否最終催生出新產(chǎn)業(yè)，制造成本也是必須考慮的因素?！昂Ｋ茪?0%成本來(lái)自于能源消耗，15%左右來(lái)自設(shè)備成本，15%來(lái)自運(yùn)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(guī)模化應(yīng)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(nèi)。未來(lái)伴隨技術(shù)裝備開發(fā)與運(yùn)維的成本下降，氫能產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)黃金發(fā)展期，成為推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量?！编椩收f(shuō)。
