大量制备绿氢方案：海上“氢”功是如何练成的
今年10月，中国工程院院士、深圳大学教授谢和平团队以深圳大学和四川大学共建的深地工程智能建造与安全运维全国重点实验室为第一单位，在Nature子刊上发表海水制氢最新成果，把世人的目光再次聚焦到氢能上。
氢能是全球公认的清洁能源，也是实现“碳中和”目标的重要途径，未来绿氢有望成为氢能产业的主导力量。如何大规模获取绿氢？获得1公斤绿氢至少需要消耗9公斤水，在传统电解水的技术路线中，巨量的淡水资源消耗是限制氢能发展的关键瓶颈之一。
陆地水资源有限，科学家们把目光投向海洋。然而，电解海水制氢需要消耗大量的电能，随着“海上风电+海水制氢”技术逐渐成熟，如何大量制备绿氢这一难题正在得到有效解决。专家表示，海水制氢技术不仅需要适应复杂多变的海洋环境，还需要在电解装备上克服多项难题，目前已经实现产业化示范应用，未来前景可期。
漫画：冯大美
海水制氢是氢能发展必由之路
氢能已经成为日益重要的战略能源。目前，全球公布氢能战略的国家和地区已经超过50个，其不仅关系到经济发展向绿色低碳转型，更是保障能源稳定供应的重要路径。
氢可作为高经济性精细化工产品的原料，还可以作为冶金和精炼过程中的还原剂，实现工业降碳的目标。此外，氢还可以直接作为能源提供给大型车辆、船舶使用，并作为长时间、大规模的储能介质。
当前，我国主流的制氢方式包括化石能源制氢、化工副产氢、电解水制氢和生物制氢。随着降碳的迫切需求和可再生能源发电的普及，未来绿氢占比将迎来飞跃式增长。业内预计至2060年全国80%的氢气需求量将由绿氢提供，年绿氢供给将达到1亿吨。
深圳清华大学研究院海洋氢能研发中心常务副主任邝允表示，生产绿氢在源头上不产生碳排放，其采用可再生电力分解水的方式得到氢气。目前，电解水制取1公斤氢气需要消耗9公斤水，如果加上辅助设施（如水纯化装备、冷却装备等）用水，制取1公斤氢气的用水量甚至达到20公斤至30公斤。
“按照上述年绿氢供给量1亿吨计算，对应的耗水量约为20亿-30亿吨。而我国可再生能源主要分布在西北和海上，都是淡水缺乏的区域，如果采用淡水纯化再电解制氢的技术路线，水资源的大规模消耗成为瓶颈性问题。”邝允说。
他表示，与淡水不同，海水资源丰富，储量占全球总水资源总量的96.5%。我国已在沿海地区规模化布局了风力发电站，如果能把风电直接用于电解海水制氢，将获取到海量的绿氢资源。这不仅降低了碳排放水平，也为大规模储能提供了解决方案，攻克海水制氢技术成为了氢能发展的必由之路。
海水直接制氢须攻克两项技术难题
海水制氢的研究最早于1975年提出，国内外众多研究机构与学者在该领域从事了大量研究，主要聚焦于突破电极腐蚀、副产氯、连续稳定电解装备研发等相关瓶颈问题。目前，国内外大多数研究团队主要聚焦于催化剂和电极材料领域，国内对于海水制氢装备研究更为领先。
据了解，实现海水制氢主要存在两条技术路线：第一，含盐海水直接电解制氢，该技术路线要针对催化剂、电极材料进行特殊设计，使得电极能够在海水中稳定、高效电解，还不能产生副产物；第二，海水原位淡化纯化再电解，其原理是利用先进隔膜材料，让海水原位汽化穿膜，以纯水水蒸气形式进入电解槽，将其余成分的离子都隔绝在隔膜之外。
邝允介绍说，海水中含有大量的盐分，其中以氯化钠为主。直接电解海水制氢首先面临的技术难题就是氯离子会使电解过程中产生氯气，其腐蚀性也会导致装备失效。另外，由于海上可再生能源发电具有波动性和不稳定性，在波动的工况下电解装备极易出现安全问题。对此，深圳清华研究院技术团队开发了高选择性高活性的电极材料以及耐腐蚀的复合电极结构，同时设计了模块化电解槽，实现电解系统在波动工况下的快速响应，保证安全稳定运行。
“在电解过程中，海水中微量离子例如溴离子、氟离子等卤族离子、硫酸根离子会在电解过程中不断富集，导致电极腐蚀，而高浓度的硫酸根离子还会在电解过程中参与反应，在电极表面吸附还原影响电解效率。”邝允说。
他表示，考虑到这些问题，必须针对装备进行防腐蚀处理，同时开发耐腐蚀的催化电极。在实际应用中，利用化学生长这项技术工艺把防腐蚀层和催化剂分别牢牢固定在电极上，组成海水制氢的核心部件，最终实现有选择性的把海水分解成氢气和氧气。
确保氢能安全运输服务市场应用
“发展海上风电必须考虑输电成本，如果风力发电设备距离海岸线超过70公里，铺设海底电缆就将面临巨大的成本。在这样的场景下，利用海水制氢技术进行氢储能就是有效盘活风电资源的最佳方案。”邝允说。
如何在海洋环境下实现氢能的安全运输？对此，邝允表示，海洋环境下的氢气储运有量大、距离长等特点，把氢气以液体化合物形式储运就是解决方案之一。其中有三条技术路线，第一条是常温常压有机液态储氢技术，该技术通过可循环使用的有机液态分子作为储氢媒介，加氢后的有机载体可利用现有运油船或海上油气管网实现大规模、长距离的氢气储运。该技术无论是从经济性、安全性还是运输难度都有显著优势。
第二条技术路线是将氢气就地制成甲醇，制备甲醇需要二氧化碳作为原料，而海水中溶解着大量的二氧化碳，可将所制得的绿氢与海水中的二氧化碳结合制成甲醇再运输回岸。第三条技术路线是将氢气就地制成绿氨，制氨需要氮气作为原料，而空气中含量最高的就是氮气。甲醇和液氨在化工等领域都有着广泛应用，作为化工原料具有较大市场空间。
新技术能否最终催生出新产业，制造成本也是必须考虑的因素。“海水制氢70%成本来自于能源消耗，15%左右来自设备成本，15%来自运维成本。在0.4元每度电成本下，海水制氢的成本大约为每公斤氢气22元。随着可再生能源装备的规模化应用，绿电成本有望很快降低，海水制氢成本也将降低至10元以内。未来伴随技术装备开发与运维的成本下降，氢能产业将迎来黄金发展期，成为推动能源绿色低碳转型的关键力量。”邝允说。
（深圳特区报记者熊子恒）