破解世紀難題！終極能源氫能，取得重大突破

海上風電平價時代，用海上風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電場，東方電氣集團與深圳大學/四川大學謝和平院士團隊聯合，開展的海上風電無淡化海水原位直接電解制氫技術海上中試獲得成功。

這是全球首個海上風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的大門。

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海試：成功

2022年11月30日，謝和平院士團隊在《nature》雜志上發表了一篇題為《A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation》的研究文章。該成果還被評為2022年中國科學十大進展之一。

文章中講述了該團隊關于海水無淡化電解制氫的技術路線。

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

 

 

a:典型的海水電解系統示意圖；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，電解系統被分成幾個部分，最外側外框架，與海水臨近的是聚四氟乙烯膜，再里邊是電解質和電池的兩極。

在運行過程中，海水側和電解質側的水蒸氣壓力差導致海水自發蒸發，并以蒸汽形式通過薄膜，擴散到電解質側，在那里通過電解質的吸收重新液化。

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之間建立了新的熱力學平衡，并通過“液-氣-液”機制實現了連續穩定的水轉移，為電解提供淡水。

從而完成電解海水的過程持續進行。在反應過程中能夠實現海水無淡化、無副反應、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議，由東方電氣集團負責成果轉化和產業化。

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

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

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摸索：技術推進

說起來，電解海水制氫的也已經有幾十年的歷史了。

這其中，不乏頂尖科學家、實驗室、科研機構參與研究。全球主要研究機構有中國科學院、法國國家科學研究中心、日本東北工業大學、北京化工大學、印度科學工業研究理事會、美國休斯敦大學等。

通過大量學者的努力，研究出了多種路線，主要的技術有堿性電解水制氫、質子交換膜電解水制氫、固態氧化物電解水制氫和固態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。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、王友轉等，海水制氫技術發展現狀與展望[J].世界科技研究與發展，2022，2（44）：172-184

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

可是，電解海水制氫技術目前在全球來看都還處于試驗階段。現有的實驗也都是將海水淡化后電解制氫。海上風電制氫產業也沒有迎來更大的發展。

這主要是因為電解海水制氫技術難度很大。

海水中含有大量的離子、微生物和顆粒等雜質，會導致電解制取氫氣時產生副反應競爭、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，可是對于大型風電場而言，淡化海水需要消耗太多能量，而且海水淡化的設備也會增加風電場的建設和運維的成本。

直接電解海水制氫又無法破解電解系統中電極/催化劑老化、耐久性差等問題。

因此，雖然20世紀70年代初就已經有科學家提出海水直接電解制氫的概念，半個世紀過去了，國內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?；咝Х€定的海水直接電解制氫原理與技術更是世界空白。

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？

為應對氣候壓力，全球能源轉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、開發潛力大、可持續利用、綠色清潔等優勢，成為全球能源發展的重要組成部分。

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高度的海上風電可開發資源量約為5×108kW/年；70m以上實際可開發資源量更多。

海上風速高，風機單機容量大，年運行小時數最高可達4000h以上，并且海上風電效率較陸上風電年發電量多出20%~40%，具有更高的能源效益。

海上風能資源還具有運行效率高、輸電距離短、就地消納方便、適宜大規模開發等特點。

而且發展海上風電，還可以緩解我國風、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，海上風電大規模開發，能夠減輕“西電東送”通道建設壓力。

在海上建設風電場還可以遠離陸地，不受城市規劃影響，也不必擔心噪音、電磁波等對居民的影響。

在此前提下，大規模發展海上風電成為加速能源轉型的戰略選擇。

根據各省規劃，到2035年，我國海上風電裝機將達到1.3×108kW左右。

隨著國際、國內風電規劃建設加碼，海上風電像太陽能一樣近年來迅速發展。海上風電總體呈現“由小及大、由近及遠、由淺入深”的發展趨勢，單機額定容量逐步增大，海上風電機組也已經進入20MW時代。

風電場規模越來越大，單體規模超過百萬、千萬千瓦；風場離岸距離和水深不斷增加，超過100km和100m，深遠海化趨勢明顯。

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

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

當風電場裝機容量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，考慮到不同的風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，海上風電和陸上風電有著同樣的缺陷：不穩定。以袁慧玲教授2012年對中國的南海風力資源的考察為例，海上風資源在不同時間尺度上波動性很大，風力大小主要取決于大氣環流。

 

 

2012年中國南海的小時容量系數的時間序列圖

圖源：南京大學大氣科學學院官網

還有一個情況就是，風電場規模越大這種波動性越大。為了平抑這種波動性，配備相應的儲能系統就顯得非常必要了。

無論是平抑風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，風電規?；苯与娊夂Ｋ际呛艽蟮奶魬穑@也從某種程度上制約了海上風電向深遠海的發展。

現在，“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，為海上風電儲能提供了新的技術路線。

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規?；€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域的難題，將打開低成本燃料生產的大門，有望推動變革走向更可持續的世界。”

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