文|石油Link 木蘭

海上風(fēng)電平價時代，用海上風(fēng)電直接電解海水制氫又傳來突破。

日前，在福建興化灣海上風(fēng)電場，東方電氣集團與深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士團隊聯(lián)合，開展的海上風(fēng)電無淡化海水原位直接電解制氫技術(shù)海上中試獲得成功。

這是全球首個海上風(fēng)電無淡化海水直接電解制氫海試成功的案例。

不僅破解了近半個世紀的世界性難題，更打開了低成本綠氫生產(chǎn)的大門。

01 海試：成功

2022年11月30日，謝和平院士團隊在《nature》雜志上發(fā)表了一篇題為《A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation》的研究文章。該成果還被評為2022年中國科學(xué)十大進展之一。

文章中講述了該團隊關(guān)于海水無淡化電解制氫的技術(shù)路線。

該研究通過將分子擴散、界面相平衡等物理力學(xué)過程與電化學(xué)反應(yīng)巧妙結(jié)合，建立了相變遷移驅(qū)動的海水直接電解制氫理論模型。

a:典型的海水電解系統(tǒng)示意圖；b:水凈化遷移過程中基于液氣液相相移的遷移機理及其驅(qū)動力

圖源：Heping Xie, Zhiyu Zhao, Tao Liu等,A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation[J].nature，2022，612:673-692

就像圖中所演示，電解系統(tǒng)被分成幾個部分，最外側(cè)外框架，與海水臨近的是聚四氟乙烯膜，再里邊是電解質(zhì)和電池的兩極。

在運行過程中，海水側(cè)和電解質(zhì)側(cè)的水蒸氣壓力差導(dǎo)致海水自發(fā)蒸發(fā)，并以蒸汽形式通過薄膜，擴散到電解質(zhì)側(cè)，在那里通過電解質(zhì)的吸收重新液化。

這種相變遷移過程允許從海水原位生成純水進行電解，具有100%的離子阻斷效率，同時在電解質(zhì)中電解所消耗的水成功地保持了界面壓差。

當水的遷移速率等于電解速率時，就會在海水和電解質(zhì)之間建立了新的熱力學(xué)平衡，并通過“液-氣-液”機制實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定的水轉(zhuǎn)移，為電解提供淡水。

從而完成電解海水的過程持續(xù)進行。在反應(yīng)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)海水無淡化、無副反應(yīng)、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫。

2022年12月16日，東方電氣與謝和平院士團隊簽署協(xié)議，由東方電氣集團負責(zé)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。

今年5月中下旬，雙方聯(lián)合研制的全球首套與可再生能源相結(jié)合的漂浮式海上制氫平臺“東福一號”，在福建興華灣海上風(fēng)電場開展海上中試。

該平臺是海水無淡化原位直接電解制氫海試樣機，在經(jīng)受了8級大風(fēng)、1米高海浪、暴雨等海洋環(huán)境考驗后，連續(xù)穩(wěn)定運行了超過240小時，驗證了由中國科學(xué)家原創(chuàng)的海水無淡化原位直接電解制氫原理與技術(shù)在真實海洋環(huán)境下的可行性和實用性。

02 摸索：技術(shù)推進

說起來，電解海水制氫的也已經(jīng)有幾十年的歷史了。

這其中，不乏頂尖科學(xué)家、實驗室、科研機構(gòu)參與研究。全球主要研究機構(gòu)有中國科學(xué)院、法國國家科學(xué)研究中心、日本東北工業(yè)大學(xué)、北京化工大學(xué)、印度科學(xué)工業(yè)研究理事會、美國休斯敦大學(xué)等。

通過大量學(xué)者的努力，研究出了多種路線，主要的技術(shù)有堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜電解水制氫、固態(tài)氧化物電解水制氫和固態(tài)聚合物陰離子交換膜電解水制氫等。

不僅如此，人類還試圖將這些技術(shù)推向室外，策劃電解海水制氫示范項目。

在國外，2019年有一批電解海水制氫項目出現(xiàn)。德國、英國、荷蘭、日本等國家都先后提出了用海水制氫的計劃。

國外海水淡化制氫項目

圖源：萬晶晶、張軍、王友轉(zhuǎn)等，海水制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].世界科技研究與發(fā)展，2022，2（44）：172-184

相比于國外，我國海水制氫項目發(fā)展相對較晚。2020年6月，我國第一個海上風(fēng)電制氫項目青島啟動。之后，在福建、廣東等省份陸續(xù)有了海水制氫示范項目落地。

可是，電解海水制氫技術(shù)目前在全球來看都還處于試驗階段?，F(xiàn)有的實驗也都是將海水淡化后電解制氫。海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)也沒有迎來更大的發(fā)展。這主要是因為電解海水制氫技術(shù)難度很大。

海水中含有大量的離子、微生物和顆粒等雜質(zhì)，會導(dǎo)致電解制取氫氣時產(chǎn)生副反應(yīng)競爭、催化劑失活、隔膜堵塞等問題。

在研究中除了以海水直接制氫一種方式之外，有的學(xué)者也提出海水間接制氫。

海水間接制氫也就是將海水先淡化形成高純度水，然后再電解制氫。

將海水淡化理論上可行，可是對于大型風(fēng)電場而言，淡化海水需要消耗太多能量，而且海水淡化的設(shè)備也會增加風(fēng)電場的建設(shè)和運維的成本。

直接電解海水制氫又無法破解電解系統(tǒng)中電極/催化劑老化、耐久性差等問題。

因此，雖然20世紀70年代初就已經(jīng)有科學(xué)家提出海水直接電解制氫的概念，半個世紀過去了，國內(nèi)外知名研究團隊也進行了大量探索研究，一直未有突破性進展。規(guī)?；咝Х€(wěn)定的海水直接電解制氫原理與技術(shù)更是世界空白。

03 突破：破解謎題

既然這么難，人類為什么還前仆后繼的研究海水電解制氫呢？

為應(yīng)對氣候壓力，全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮一浪高過一浪。海洋可再生能源因其不占用土地空間、資源分布廣泛、開發(fā)潛力大、可持續(xù)利用、綠色清潔等優(yōu)勢，成為全球能源發(fā)展的重要組成部分。

我國擁有超過1.8×104km的大陸海岸線，可利用海域面積超過3×106km2，離海岸5~50m、70m高度的海上風(fēng)電可開發(fā)資源量約為5×108kW/年；70m以上實際可開發(fā)資源量更多。

海上風(fēng)速高，風(fēng)機單機容量大，年運行小時數(shù)最高可達4000h以上，并且海上風(fēng)電效率較陸上風(fēng)電年發(fā)電量多出20%~40%，具有更高的能源效益。海上風(fēng)能資源還具有運行效率高、輸電距離短、就地消納方便、適宜大規(guī)模開發(fā)等特點。

而且發(fā)展海上風(fēng)電，還可以緩解我國風(fēng)、光資源“西富東貧、北多南少”的問題，為占全國負荷需求70%以上的中東部提供電力支撐。

因此，海上風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)，能夠減輕“西電東送”通道建設(shè)壓力。

在海上建設(shè)風(fēng)電場還可以遠離陸地，不受城市規(guī)劃影響，也不必擔(dān)心噪音、電磁波等對居民的影響。

在此前提下，大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電成為加速能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇。

根據(jù)各省規(guī)劃，到2035年，我國海上風(fēng)電裝機將達到1.3×108kW左右。

隨著國際、國內(nèi)風(fēng)電規(guī)劃建設(shè)加碼，海上風(fēng)電像太陽能一樣近年來迅速發(fā)展。海上風(fēng)電總體呈現(xiàn)“由小及大、由近及遠、由淺入深”的發(fā)展趨勢，單機額定容量逐步增大，海上風(fēng)電機組也已經(jīng)進入20MW時代。

風(fēng)電場規(guī)模越來越大，單體規(guī)模超過百萬、千萬千瓦；風(fēng)場離岸距離和水深不斷增加，超過100km和100m，深遠?；厔菝黠@。

這些位于大海里的可再生電力如何送到負荷中心？現(xiàn)在，普遍是使用海纜將電力傳送回陸地。

當風(fēng)電駛向了深遠海，電能輸送對海纜制造技術(shù)難度進一步增加，一方面對長度要求提高，另一方面由于長距離電容效應(yīng)損耗加大，對電壓等級要求提高。

當風(fēng)電場裝機容量500~1000MW、離岸距離50~100km時，海纜損耗為1%~5%。對于海上高壓直流輸電系統(tǒng)，考慮到不同的風(fēng)電場容量和離岸距離，海纜損耗為2%~4%。相比之下，海上輸氣管道的傳輸損耗低于0.1%。

而且，海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電有著同樣的缺陷：不穩(wěn)定。以袁慧玲教授2012年對中國的南海風(fēng)力資源的考察為例，海上風(fēng)資源在不同時間尺度上波動性很大，風(fēng)力大小主要取決于大氣環(huán)流。

2012年中國南海的小時容量系數(shù)的時間序列圖，圖源：南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院官網(wǎng)

還有一個情況就是，風(fēng)電場規(guī)模越大這種波動性越大。為了平抑這種波動性，配備相應(yīng)的儲能系統(tǒng)就顯得非常必要了。

無論是平抑風(fēng)電的波動性還是考慮成本和電能損耗等方面的因素，直接將風(fēng)電電解海水制成氫氣將電能儲存在氫氣里都是更好的選擇。

可是一直以來，風(fēng)電規(guī)?；苯与娊夂Ｋ际呛艽蟮奶魬?zhàn)，這也從某種程度上制約了海上風(fēng)電向深遠海的發(fā)展。

現(xiàn)在，“東福一號”海試成功正破解了這一困擾直接電解海水制氫氣半個世紀的難題，為海上風(fēng)電儲能提供了新的技術(shù)路線。

謝和平團隊論文評審專家認為，“很少有論文能夠令人信服地從海水中實現(xiàn)規(guī)?；€(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點。他們完美地解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的難題，將打開低成本燃料生產(chǎn)的大門，有望推動變革走向更可持續(xù)的世界?！?/p>

該成果有望開辟集“海上風(fēng)電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”為一體的全新海洋綠氫工業(yè)體系。