破解世紀(jì)難題！終極能源氫能，取得重大突破

海上風(fēng)電平價(jià)時(shí)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(tuán)與深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士團(tuán)隊(duì)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(gè)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(gè)世紀(jì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)展之一。

文章中講述了該團(tuán)隊(duì)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(kuò)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(dòng)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(jī)理及其驅(qū)動(dòng)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(gè)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(yùn)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(kuò)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(jìn)行電解，具有100%的離子阻斷效率，同時(shí)在電解質(zhì)中電解所消耗的水成功地保持了界面壓差。

當(dāng)水的遷移速率等于電解速率時(shí)，就會(huì)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(jī)制實(shí)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(jìn)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(tuán)隊(duì)簽署協(xié)議，由東方電氣集團(tuán)負(fù)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(tái)“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(tái)是海水無淡化原位直接電解制氫海試樣機(jī)，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(yàn)后，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了超過240小時(shí)，驗(yàn)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(shí)海洋環(huán)境下的可行性和實(shí)用性。

02

摸索：技術(shù)推進(jìn)

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(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)參與研究。全球主要研究機(jī)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(huì)、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(xiàng)目。

在國外，2019年有一批電解海水制氫項(xiàng)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(jì)劃。

 

 

國外海水淡化制氫項(xiàng)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(xiàng)目發(fā)展相對較晚。2020年6月，我國第一個(gè)海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目青島啟動(dòng)。之后，在福建、廣東等省份陸續(xù)有了海水制氫示范項(xiàng)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(yàn)階段。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)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?yàn)殡娊夂Ｋ茪浼夹g(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(huì)導(dǎo)致電解制取氫氣時(shí)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(huì)增加風(fēng)電場的建設(shè)和運(yùn)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(jì)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(gè)世紀(jì)過去了，國內(nèi)外知名研究團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了大量探索研究，一直未有突破性進(jìn)展。

規(guī)模化高效穩(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(shí)際可開發(fā)資源量更多。

海上風(fēng)速高，風(fēng)機(jī)單機(jī)容量大，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)最高可達(dá)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(yùn)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(diǎn)。

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(fù)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(yuǎn)離陸地，不受城市規(guī)劃影響，也不必?fù)?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(jī)將達(dá)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(yuǎn)、由淺入深”的發(fā)展趨勢，單機(jī)額定容量逐步增大，海上風(fēng)電機(jī)組也已經(jīng)進(jìn)入20MW時(shí)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(yuǎn)海化趨勢明顯。

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

當(dāng)風(fēng)電駛向了深遠(yuǎn)海，電能輸送對海纜制造技術(shù)難度進(jìn)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(dāng)風(fēng)電場裝機(jī)容量500~1000MW、離岸距離50~100km時(shí)，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(shí)間尺度上波動(dòng)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(shí)容量系數(shù)的時(shí)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(gè)情況就是，風(fēng)電場規(guī)模越大這種波動(dòng)性越大。為了平抑這種波動(dòng)性，配備相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)就顯得非常必要了。

無論是平抑風(fēng)電的波動(dòng)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(chǔ)存在氫氣里都是更好的選擇。

可是一直以來，風(fēng)電規(guī)模化直接電解海水都是很大的挑戰(zhàn)，這也從某種程度上制約了海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)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(gè)世紀(jì)的難題，為海上風(fēng)電儲(chǔ)能提供了新的技術(shù)路線。

謝和平團(tuán)隊(duì)論文評審專家認(rèn)為，“很少有論文能夠令人信服地從海水中實(shí)現(xiàn)規(guī)模化穩(wěn)定制氫，但該論文的工作恰恰做到了這一點(diǎn)。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(dòng)變革走向更可持續(xù)的世界。”

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。