電解海水制氫：直接取用海水嗎？

在綠氫生產對純水的剛性需求與全球清潔水資源分布不均的現實矛盾下，海水電解制氫技術展現出顯著應用潛力。然而，該領域始終存在核心技術路線分歧：是采用直接電解工藝，還是通過淡化預處理后再行電解？盡管直接電解技術已取得階段性進展，但國內外關于兩種路徑的技術經濟性爭論持續升溫。

一、純水約束與海水潛力：

水電解技術為可再生能源轉化提供了可持續路徑，其產物氫氣可廣泛應用于交通動力、區域供暖及能源存儲等領域。當前研究聚焦于液態堿性電解槽與聚合物電解質膜（PEM）電解槽的性能優化，但市場現有電解設備均存在共性技術約束——需以飲用水級水質為原料，并通過配套凈化系統制備高純度去離子水，這是保障設備長期穩定運行的核心前提。

電解制氫對超純水的依賴已成為制約技術推廣的關鍵瓶頸，在水資源匱乏地區這一矛盾尤為突出。數據顯示，海水占全球水資源總量的96%以上，這促使學界探索跳過純水制備環節，直接實現海水電解制氫的可能性。

從技術應用現狀看，商用電解槽對進水水質的嚴苛要求，不僅使預處理系統成本占比攀升，更限制了電解技術的分散化部署，與氫經濟“能源系統去中心化”的核心發展理念形成沖突——若水源無法實現本地化供應，技術分散化應用將無從談起。因此，開發適用于海水或低品質地表水（無需深度凈化）的催化劑、功能膜及電解槽系統，已成為該領域的研究熱點（見圖1）。

圖1：海水電解科學技術文獻的興起浪潮

二、一步法與兩步法：

直接電解海水技術表面具有顯著吸引力，其核心優勢在于規避淡化廠等配套基礎設施的建設需求。但海水成分復雜，其中高濃度氯離子、微生物及懸浮顆粒物等，會導致催化選擇性下降、電極腐蝕及膜組件生物污堵等問題，技術挑戰突出。近期《能源與環境科學》期刊的綜述研究提出關鍵命題：直接海水電解的成本效益是否足以支撐技術攻關的資源投入。

該刊同期研究對比了直接海水電解（一步法）與“反滲透淡化+純水電解”（兩步法）的經濟性差異（見圖2）。基于當前反滲透技術的效率參數與成本結構，分析顯示：海水淡化環節的資本與運營成本在純水電解總成本中的占比極低。這似乎表明，在已建成淡化設施的場景下，直接電解技術不具備經濟優勢。

圖2. 海水制氫的兩種技術路徑。左側：通過單一裝置實現海水直接（一步法）電解；右側：采用兩步法工藝，先在反滲透裝置中凈化海水再進行電解

需注意的是，技術成熟度差異可能導致測算偏差：反滲透技術已進入規模化應用階段，而直接海水電解尚處于研發攻堅期，兩者資本支出的可比性受限。隨著電解槽設計優化與規模效應顯現，成本差距有望逐步縮小。此外，電化學特性差異決定了現有成熟水電解槽難以直接適配海水電解場景，專用設備開發是必經之路。

三、AEM電解槽：

陰離子交換膜（AEM）電解槽的出現為直接海水電解提供了新可能。該技術無需貴金屬催化劑（PEM電解槽的主要成本構成），同時保留了PEM設備的高電流密度、快速響應等優勢。實驗數據顯示，商業AEM可耐受進水碳酸鹽濃度達到或超過海水水平，部分催化劑在氯離子存在環境下仍能保持較高活性，有望突破直接海水電解的核心技術障礙。

當前經濟性分析對技術路線選擇具有指導意義，但需動態更新——隨著AEM等新技術的成熟，成本測算模型將發生顯著變化。值得關注的是，反滲透技術的規模效應明顯，其設備通常為日處理量1-100萬立方米的大型裝置，而商用電解槽單套規模多為10兆瓦級（日均耗水約125立方米），兩者規模不匹配問題突出。因此，為間歇性、小規模分散式制氫場景配套專用淡化設施的經濟性，仍需進一步論證。

從應用場景看，海水電解在海運業及離岸風電制氫領域具有特殊價值。技術經濟模型顯示，當離岸風電距離海岸超過40-50公里時，現場制氫再運輸的綜合成本低于電力直接輸送。此類場景對設備占地面積敏感度高，而集成化一步法系統可減少安全防護距離，在空間約束條件下展現出獨特優勢。

四、動態適配：

綜合現有研究結論，當前分析傳遞明確信號：淡水可獲得性不應成為制約綠氫產業發展的瓶頸。在大型集中式制氫場景中，基于成熟PEM與堿性電解技術的兩步法工藝，在能耗控制與經濟性方面更具優勢。但技術選擇需避免“一刀切”，裝置規模與區位條件是評估海水電解路徑可行性的核心變量。

直接海水電解的基礎研究仍具戰略價值：其技術突破不僅可解決海水直接利用問題，更能為低品質水源電解提供雜質調控方案，積累的水質適配性數據將推動整個電解領域的技術進步。