海水無淡化原位直接電解制氫技術(shù)成果由中國工程院謝和平院士團(tuán)隊于2022年11月30日在《Nature》正刊發(fā)表，今年3月，該成果被科技部評為2022年中國科學(xué)十大進(jìn)展之一。
2022年12月16日，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)隊簽署協(xié)議，正式揭開該項技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的序幕，由東方電氣集團(tuán)負(fù)責(zé)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，并由福建省政府、福州市政府和東方電氣集團(tuán)聯(lián)合共建的東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司負(fù)責(zé)具體實施。這意味著，這項革命性科技成果正式落地福建。
業(yè)界認(rèn)為，此次海上中試成功，不僅破解了“海水直接電解制氫”的世紀(jì)性難題，開啟無需純水的制氫新時代，更是打開了低成本綠氫生產(chǎn)的大門，向世界展示零碳能源的中國方案！海洋被稱為“藍(lán)色的能源”，是巨大的能源寶庫。業(yè)界同時認(rèn)為，此次海上中試成功，將開啟藍(lán)色能源寶庫。那么，這項技術(shù)到底是什么？為什么會落戶福建？從原理突破到中試再到實現(xiàn)工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，還需解決哪些問題？本次技術(shù)突破對于氫能行業(yè)有何意義？
勇闖技術(shù)“無人區(qū)”
東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司（簡稱“東福研究院”）坐落于福州高新區(qū)莉園洲路上，嶄新的大樓格外顯眼。它是福建引進(jìn)落地的重大科技創(chuàng)新平臺基地，去年8月30日在福州注冊成立。
“我們公司注冊成立一個多月后，就有幸對接謝院士團(tuán)隊的技術(shù)成果。”中國東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院副院長，東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司執(zhí)行董事、總經(jīng)理劉泰生興奮地對記者說。
事實上，東福研究院并不是第一家被推薦與謝院士團(tuán)隊合作的伙伴，之前，已有幾家名聲、實力、規(guī)模都遠(yuǎn)勝于它的企業(yè)被征詢過合作意愿。
“很幸運(yùn)，我們能夠理解謝院士所提出的原理并認(rèn)同其技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化途徑。”劉泰生說。當(dāng)時他帶領(lǐng)院里三位博士前往四川大學(xué)的謝和平院士團(tuán)隊實驗室，聽取技術(shù)介紹和交流后，力主和謝院士團(tuán)隊達(dá)成合作。
眾所周知，氫能是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉粗弧?
當(dāng)前，主流的制氫技術(shù)包括化石燃料制氫技術(shù)（煤制氫技術(shù)、天然氣制氫）和電解水制氫技術(shù)。其中，化石燃料制氫會產(chǎn)生大量二氧化碳，在單位質(zhì)量產(chǎn)氫量、碳排放指標(biāo)方面不具優(yōu)勢。電解水制氫的“綠氫”技術(shù)是氫能發(fā)展的必然趨勢。謝和平院士預(yù)計，到2050年，電解水制氫占比有望提升至70%。
但目前傳統(tǒng)的電解水制氫高度依賴純水，在我國淡水資源相對匱乏的時代，制氫用水從何而來？
謝和平院士認(rèn)為，海水占地球總水資源量的97.5%，向大海要水制氫是未來理想、可持續(xù)發(fā)展的方向。
電解海水制取氫有兩種路徑，一種是先淡化海水再制氫，另一種是海水直接電解制氫，即把電解槽泡在海水里直接制氫。但海水淡化至純水再電解制氫，設(shè)備成本及運(yùn)維成本較高，工藝流程復(fù)雜且占用大量土地資源。
20世紀(jì)70年代初，便有科學(xué)家提出海水直接電解制氫的設(shè)想。國內(nèi)外研究團(tuán)隊圍繞催化劑工程、膜材料科學(xué)等進(jìn)行了大量研究，但海水元素成分復(fù)雜，制氫時會導(dǎo)致催化劑失活、電極腐蝕、隔膜堵塞等問題，半個世紀(jì)以來，始終未有突破性的成果。
“能不能嘗試不通過催化劑，采用物理力學(xué)的辦法，把海水的水汽抽取過來，把其他物質(zhì)隔離開？”這個大膽的想法在謝和平院士腦中盤旋。
謝和平院士長期從事能源礦業(yè)多種新領(lǐng)域研究，當(dāng)時，他在另一項目中探討失敗原因時獲得靈感：是否可以通過“膜”透氣不透水的機(jī)理來隔絕海水中的雜質(zhì)離子？
經(jīng)過持續(xù)奮戰(zhàn)，謝院士研發(fā)團(tuán)隊著手研制了一套400L/h海水原位直接電解制氫技術(shù)設(shè)備，采用的是物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，開創(chuàng)了海水無淡化無額外耗能的原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)。
其基本思路是：利用海水與電解液的界面壓力差，使電解液吸收掉海水中透過來的水蒸氣，隔膜只允許氣體通過，實現(xiàn)海水中雜質(zhì)組分的完全分離，這種隔膜的孔徑在0.1~100微米之間，被稱為水汽傳質(zhì)層。
這一思路非常巧妙！劉泰生感嘆?！半娊馑茪漕I(lǐng)域，市場主流技術(shù)是堿性電解水制氫，其電解液是30%濃度的氫氧化鉀溶液，而海水是3%鹽濃度的溶液，由于濃度差，海水中的水會自然向堿性電解液流動，這是一個自驅(qū)動的過程?！?
“只要設(shè)置一個很特殊的膜，只讓水分子通過，不讓其他離子通過，就可實現(xiàn)向堿性電解液補(bǔ)水的效果。這就是其原理與優(yōu)勢所在，與傳統(tǒng)利用反滲透膜進(jìn)行海水淡化的原理不一樣?！眲⑻┥f，這是真正意義上實現(xiàn)了海水當(dāng)作純凈水來用，相當(dāng)于電解純水，從而制取出氫氣。它突破傳統(tǒng)思維的新路徑，彰顯了多學(xué)科綜合和學(xué)科交叉對創(chuàng)新的促進(jìn)推動作用。
“那次我?guī)ブx院士實驗室的有研究材料，也有研究動力工程的博士，是個多學(xué)科交融的一個團(tuán)隊。聽完介紹，我們認(rèn)為理解這項技術(shù)，所以積極表達(dá)合作的意愿?！眲⑻┥貞?。
劉泰生是國家萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，在東方電氣擔(dān)任過多個重大項目技術(shù)負(fù)責(zé)人，他先后從事清潔燃燒、節(jié)能環(huán)保、第四代核電鈉冷快堆、碳中和、儲能等先進(jìn)技術(shù)和高端裝備的研發(fā)、設(shè)計和產(chǎn)業(yè)化業(yè)務(wù)。對知識業(yè)務(wù)的敏感，讓他意識到這項技術(shù)將是顛覆性的。
近50年來，海水直接電解制氫的進(jìn)展還不足以達(dá)到走出實驗室的地步，僅能夠在實驗室里持續(xù)100~200個小時，而這套海水原位直接電解制氫裝備在試驗室海水槽連續(xù)運(yùn)行超3200小時，令人信服地直接從海水中實現(xiàn)了穩(wěn)定制氫過程。
去年11月，這項研究成果被發(fā)表在《Nature》正刊。國際專家評價，這項研究成果完美地解決了有害腐蝕性這一長期困擾海水制氫領(lǐng)域的問題。
去年12月，東方電氣集團(tuán)、東福研究院與謝院士團(tuán)隊簽署協(xié)議，把這項技術(shù)引進(jìn)福州，共有該技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)，并承擔(dān)中試、示范和產(chǎn)業(yè)化任務(wù)?！白鳛楦＝ㄆ髽I(yè)，我們抓住機(jī)遇，把項目‘搶’過來了，希望這項前沿成果盡快走出實驗室，變現(xiàn)成為市場產(chǎn)品?！眲⑻┥f。
綠電制氫成果落地福建
有了創(chuàng)新成果后，成果的落地應(yīng)用也在緊鑼密鼓推進(jìn)中。
今年春節(jié)期間，研發(fā)團(tuán)隊的腳步不停不歇，為項目啟動做緊張的準(zhǔn)備，希望盡快建成一個海上風(fēng)電直接耦合海水電解制氫的中試示范。
“研發(fā)團(tuán)隊成員近40人，包含院士1人、國家萬人計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才1人，碩士以上占比超過80%?！眲⑻┥f，去年底，東福研究院迅速抽調(diào)具有重大項目研發(fā)經(jīng)驗的技術(shù)、管理人員組建研發(fā)團(tuán)隊，并柔性引進(jìn)謝和平院士海水制氫團(tuán)隊成員，聘請謝和平院士擔(dān)任東福研究院首席科學(xué)顧問和海水制氫首席科學(xué)家。
今年3月初，研發(fā)團(tuán)隊完成了可搭載海水無淡化原位直接電解制氫中試樣機(jī)的全球首套可再生能源漂浮式海上制氫平臺“東福一號”的設(shè)計及制造，3月13日，該浮體在漳州下水。
福清興化灣，我國海上風(fēng)能資源最豐富的地區(qū)之一。
3月17日，“東福一號”試驗平臺運(yùn)抵興化灣北岸的福建三峽海上風(fēng)電國際產(chǎn)業(yè)園東方風(fēng)電福建廠區(qū)，開啟下海前的陸上試驗平臺系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，之后順利完成兩次陸上預(yù)試驗。
接著，“東福一號”被連夜吊裝運(yùn)至海邊，并通過拖輪拖帶平穩(wěn)駛向海上風(fēng)場既定海域，利用錨艇錨固于由東方電氣供貨的三峽集團(tuán)興化灣10MW海上風(fēng)機(jī)一側(cè)。
5月14日至20日，將控制系統(tǒng)與UPS模塊等智慧能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)施吊裝至海上風(fēng)機(jī)承臺，完成海上電纜及浮筒鋪設(shè)，并運(yùn)用輔助供電系統(tǒng)連接，開啟真實海洋環(huán)境下制氫測試。
5月21日晚，完成智慧能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)安裝調(diào)試，通過電纜傳輸實現(xiàn)“東福一號”與海上風(fēng)機(jī)對接，試驗平臺制氫系統(tǒng)與海上風(fēng)電可再生能源系統(tǒng)順利耦合，正式開始了綠電制氫。
談及海上中試的過程，劉泰生坦言，盡管團(tuán)隊前期在實驗室中已經(jīng)做了充分的測試，但到了海上，溫度天氣、海風(fēng)海浪、潮汐洋流等不確定因素都會時刻影響著實驗效果。比如，怎樣將海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的大幅波動的交流電，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定不間斷供應(yīng)電解槽的直流電？怎樣克服風(fēng)浪造成的浮體晃動對電解槽安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響？這些問題都促使團(tuán)隊在實踐過程中不斷攻堅克難，持續(xù)提升。
對“東福一號”海上電纜的固定，海試項目核心成員周子健記憶猶新。“隨著潮漲潮落，電纜時而拉直甚至快要繃斷，時而過松甚至快要漂走，怎樣將電纜固定住，又不損傷電纜？我們團(tuán)隊集思廣益，設(shè)計并測試了多種方案，最終用半固定式浮筒的方式把電纜固定住，還配有自動轉(zhuǎn)折、自收放等綜合裝置，有效解決海上漂浮式浮體供電的電纜問題?！?
劉泰生說：“團(tuán)隊在‘東福一號’上集成了原位制氫、智慧能源轉(zhuǎn)換管理、安全檢測控制、自動裝卸升降等系統(tǒng)，從而確保利用海上風(fēng)電高效穩(wěn)定地制取綠氫?！?
在經(jīng)受了8級大風(fēng)、海上巨浪、暴雨等惡劣海洋環(huán)境的考驗后，“東福一號”連續(xù)穩(wěn)定制氫運(yùn)行了超過240小時。6月2日，經(jīng)中國工程院院士專家組現(xiàn)場考察后確認(rèn)，此次海上風(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，研發(fā)團(tuán)隊實現(xiàn)了從獨(dú)創(chuàng)性原理、顛覆性技術(shù)、國產(chǎn)化裝備到特色電解制氫工業(yè)模式的中國科技自立自強(qiáng)發(fā)展路徑。
謝和平院士告訴記者：“這是我們邁向全球海水直接電解制氫新時代三步走策略當(dāng)中的第一步，也是關(guān)鍵一步。真正耦合了海上可再生能源，并在海洋真實、復(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)了無需淡化的海水直接電解制氫?！苯酉聛?，將全力攻關(guān)第二代抗海洋環(huán)境干擾的海水直接電解制氫核心技術(shù)，迭代發(fā)展更高效、更高兼容性、更高穩(wěn)定性的第二代核心技術(shù)及裝備。
從去年12月東福研究院引進(jìn)此項目到海上中試成功，僅用了半年時間。“這次試驗得到中國工程院、福建省、福州市和福清市政府的大力支持，三峽集團(tuán)等兄弟企業(yè)幫助我們解決不少現(xiàn)場的問題?！眲⑻┥榻B，本次海試的關(guān)鍵設(shè)備——“東福一號”和10MW海上風(fēng)電機(jī)組等均為福建制造，東方電氣風(fēng)電（福建）有限公司提供產(chǎn)業(yè)支持及加工、改造、吊裝、維護(hù)、檢修等輔助業(yè)務(wù)。
劉泰生透露，團(tuán)隊正在開展第二代技術(shù)的示范工作。第二代技術(shù)示范的規(guī)模將達(dá)到每小時100標(biāo)方產(chǎn)氫量，一旦成功，就意味著可以正式進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
打開低成本的大門
技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢讓全球各國對該技術(shù)的未來產(chǎn)生了好奇和期待，而在這樣的情況下，一切都在發(fā)生翻天覆地的變化。
事實上，風(fēng)力發(fā)電在海洋中也有廣泛的應(yīng)用，但之前還沒有直接實現(xiàn)利用風(fēng)電場電解海水制氫的技術(shù)。而比起技術(shù)的創(chuàng)新突破，把海水變成氫能的“低成本”更令人振奮。
“從目前看，如果企業(yè)本身既是發(fā)電企業(yè)，又是制氫企業(yè)，自己建海上風(fēng)電、制氫，采用‘電氫聯(lián)產(chǎn)、以電育氫、以氫消電’模式，不考慮資源出讓成本、稅費(fèi)等因素，每立方米制氫成本是3毛多；并且風(fēng)氫聯(lián)營整體收益可觀，還可以實現(xiàn)以接近或低于化石能源制氫的價格供應(yīng)綠氫。”劉泰生介紹，未來風(fēng)電、光伏制氫綜合成本達(dá)到每公斤氫氣10元是完全可以實現(xiàn)的。
在謝和平院士看來，通過將取之不盡的海水資源直接制氫，并結(jié)合海上風(fēng)電技術(shù)，將改變未來全球的能源開發(fā)路徑。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，該技術(shù)的推廣應(yīng)用將開辟“海上風(fēng)電等可再生能源利用-海水資源利用-氫能生產(chǎn)”一體化的全新海洋綠氫工業(yè)體系，可望形成無淡化、無額外催化劑、無海水輸運(yùn)、無污染處理的原位海水直接電解制氫全新模式。
更值得期待的是，除了海水，此項目的原理和技術(shù)還可應(yīng)用于各類工業(yè)廢水、城市生活污水等非淡水直接電解制氫?！皯?yīng)用范圍廣泛，市場空間巨大，預(yù)計可帶動數(shù)百億元級氫能產(chǎn)業(yè)鏈?！眲⑻┥f。
“海水直接制氫”計劃從學(xué)術(shù)期刊上的文字變?yōu)楝F(xiàn)實，只花了半年時間，但產(chǎn)業(yè)化之路將難免遇到諸多難題。比如，試驗中用到的膜是一個前沿領(lǐng)域，還有不少問題需解決，包括表面改性、改進(jìn)抗拉伸、抗沖擊、抗疲勞以及抗腐蝕性能，還有抗海洋生物附著能力等問題，有的在實驗室發(fā)現(xiàn)不了，需要在真實海洋場景里才會逐漸暴露，所以，要實現(xiàn)工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，還有很長的路要走。
氫能作為“電能替代”的一種，它的應(yīng)用范圍很廣，是未來能源轉(zhuǎn)型的重要支柱產(chǎn)業(yè)。幾年前談氫需求，一直圍繞著氫燃料電池車方面的應(yīng)用，實際上，氫能在化工和冶金等領(lǐng)域有更多用量、更大需求。第二個領(lǐng)域是儲能。短期儲能方面有鋰電池，長期儲能包括抽水蓄能、儲氫。隨著可再生能源制氫價格的降低，儲氫行業(yè)競爭力會越來越強(qiáng)，市場需求量會越來越大。第三個領(lǐng)域是碳中和。
隨著國內(nèi)可再生能源裝機(jī)容量的大幅提升，制綠氫的成本將極大下降，氫能在未來產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域里運(yùn)用會越來越廣泛，使得對氫需求呈現(xiàn)爆炸式增長?！皻淠墚a(chǎn)業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了拐點?！眲⑻┥J(rèn)為，在整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈上，也出現(xiàn)了很多新技術(shù)。第一，固態(tài)儲氫使得儲運(yùn)成本進(jìn)一步下降。第二，在管道輸運(yùn)方面，氫與天然氣混合輸運(yùn)，將使得氫的輸運(yùn)與使用更經(jīng)濟(jì)。第三，把氫和氮?dú)饨Y(jié)合起來生成氨，輸運(yùn)后再分解為氫和氮。
談到這次試驗成功，劉泰生表示：“這項技術(shù)成果非常適合在福建落地。”他認(rèn)為，福建省以海上風(fēng)電和核電為代表的零碳能源豐富，具有發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。而且，福建具有良好的氫能資源稟賦，以雪人股份、廈大、福大、嘉庚創(chuàng)新實驗室等為代表的本土企業(yè)和教育科研機(jī)構(gòu)掌握著氫能與燃料電池的關(guān)鍵核心技術(shù)，氫能產(chǎn)業(yè)鏈初步成型。比如，嘉庚創(chuàng)新實驗室研制了1000標(biāo)方堿性制氫電解槽，在國內(nèi)是最先進(jìn)之一，雪人股份具有國內(nèi)領(lǐng)先的氫燃料電池技術(shù)，福大紫金做“氨氫”轉(zhuǎn)化，這也是國內(nèi)獨(dú)一號。從制氫、用氫到氫轉(zhuǎn)化，福建都有了，接下去要思考怎么把它串成線形成一個面。作為福建企業(yè)，東福研究院將積極參與、打造多能互補(bǔ)的綠氫新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。
“隨著綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展，將助綠色轉(zhuǎn)型，補(bǔ)福建大型裝備缺失的短板。”劉泰生認(rèn)為，東方電氣集團(tuán)為我國提供了大約三分之一的能源裝備，是全球最大的能源裝備制造企業(yè)集團(tuán)之一，可以發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，共推福建海洋相關(guān)的重大裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
