中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：由于淡水資源緊缺，向大海要水是未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向。但復(fù)雜的海水成分（約92種化學(xué)元素）導(dǎo)致海水制氫面臨諸多難題與挑戰(zhàn)，先淡化后制氫工藝流程復(fù)雜且成本高昂。
2022年11月30日，深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院院長(zhǎng)謝和平團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表論文，以分子擴(kuò)散、界面相平衡等物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，建立了相變遷移驅(qū)動(dòng)的海水無(wú)淡化原位直接電解制氫全新原理與技術(shù)。
深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院院長(zhǎng)謝和平
該技術(shù)徹底隔絕了海水離子，實(shí)現(xiàn)了無(wú)淡化過(guò)程、無(wú)副反應(yīng)、無(wú)額外能耗的高效海水原位直接電解制氫，即可在海水里原位直接電解制氫。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)研制了全球首套400升/小時(shí)海水原位直接電解制氫技術(shù)與裝備。
論文發(fā)表后，在全球范圍內(nèi)引發(fā)了一番震動(dòng)，該技術(shù)也入選國(guó)家科技部組織評(píng)選的“2022年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。
在2023年9月10日舉辦的中國(guó)碳中和能源高峰論壇暨第三屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)上，謝和平透露，就在去年該論文發(fā)表的20天后，去年12月16日，團(tuán)隊(duì)與東方電氣集團(tuán)簽署合作協(xié)議。東方電氣投入3000萬(wàn)元專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，獲得四方共享原創(chuàng)技術(shù)專利及相關(guān)資料的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并組建聯(lián)盟進(jìn)行海水直接電解制氫技術(shù)的海上中試及工程示范和產(chǎn)業(yè)化。
“論文發(fā)表后，國(guó)際市場(chǎng)對(duì)該原理技術(shù)廣泛關(guān)注，國(guó)際許多企業(yè)希望購(gòu)買我們的制氫裝置，但是要求我們提供技術(shù)圖紙、操作參數(shù)和詳細(xì)技術(shù)方案。但我們認(rèn)為應(yīng)該將該原創(chuàng)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)掌握在中國(guó)人自己手中，我們應(yīng)率先中試、率先工程示范/產(chǎn)業(yè)化、率先形成產(chǎn)業(yè)鏈，也促使我想要盡快實(shí)現(xiàn)海試的夢(mèng)想。”謝和平說(shuō)。
謝和平介紹，為適應(yīng)海洋不可控臺(tái)風(fēng)浪，團(tuán)隊(duì)建立了基于全新原理的拓展模型及調(diào)控系統(tǒng)，與東方電氣集團(tuán)聯(lián)合設(shè)計(jì)了漂浮式海水制氫平臺(tái)，今年5月，團(tuán)隊(duì)在福建省福清市興化灣進(jìn)行的1.2 Nm3/h海水原位直接電解制氫成功海試，打造了全球首個(gè)海上風(fēng)電海水直接電解制氫技術(shù)示范工程。
“這是首次海水直接制氫全新原理技術(shù)與海上綠電對(duì)接，成功進(jìn)行了真實(shí)海洋環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了在3-8級(jí)大風(fēng)、0.3-0.9米海浪強(qiáng)干擾下，以1.2Nm3 H2/h規(guī)模、5kWh/Nm3 H2電解能耗，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行10天，與實(shí)驗(yàn)室效果類似?！敝x和平說(shuō)。
2023年7月6日在中國(guó)工程院召開(kāi)的 “我國(guó)原創(chuàng)海上風(fēng)電無(wú)淡化海水直接制氫原理技術(shù)”規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略咨詢研討會(huì)中，與會(huì)院士對(duì)此次海試結(jié)果予以肯定。
談到外界尤為關(guān)注的成本方面，在此次大會(huì)演講中，謝和平表示，由于海水直接制氫可直接對(duì)接海上風(fēng)電等可再生能源，無(wú)海水淡化過(guò)程，無(wú)額外催化劑工程，無(wú)海水泵送輸運(yùn)過(guò)程，無(wú)海水污染處理過(guò)程，無(wú)海水制氫設(shè)備平臺(tái)，因此未來(lái)極具經(jīng)濟(jì)潛力。
若按照“海水直接制氫成本=電價(jià)×單位電耗+(每年折舊+每年運(yùn)維)/每年制氫總量”這一公式計(jì)算，以海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)0.2元—0.3元/度電計(jì)算，海水直接制氫的單位質(zhì)量氫氣成本為0.219元/Nm3+0.2元/Nm3+(1-1.5)元/Nm3=1.419-1.919元/Nm3 = 15.89—21.49元/kg。
跟陸地淡水制氫成本相比，海水直接電解水直接制氫成本與前者相當(dāng)（無(wú)占地面積等設(shè)施和污染物處理成本）。
未來(lái)進(jìn)一步降本來(lái)自于兩方面——海水直接電解水直接制氫能耗的降低和海上風(fēng)電價(jià)格的降低。據(jù)謝和平測(cè)算，以目前海水直接電解電耗5kWh/Nm3氫氣進(jìn)行估算，在電價(jià)低于0.09元/度時(shí)，綜合成本有望低于0.87元/ Nm3氫氣(煤制灰氫成本下限)。目前團(tuán)隊(duì)已攻關(guān)第二代技術(shù)，使得技術(shù)能耗降到4.5kWh/Nm3，隨著電解制氫能耗降低到4.0 kWh/Nm3時(shí)，在電價(jià)低于0.11元/度時(shí)，海水直接電極制氫成本將低于0.87元/Nm3(煤制灰氫的極限低價(jià))。
另其測(cè)算，當(dāng)海上風(fēng)電電價(jià)低于0.23元/度時(shí)，海水制氫成本與煤制氫+CCUS相比具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；當(dāng)電價(jià)低于0.15元/度時(shí)，海水制氫與煤制灰氫相當(dāng)；當(dāng)電價(jià)低于0.11元/度時(shí)，海水制氫成本將完全低于煤制灰氫成本。
“這將改變世界能源格局?！敝x和平說(shuō)。
對(duì)未來(lái)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的思考
在談到未來(lái)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)的思考時(shí)，謝和平表示，一方面，團(tuán)隊(duì)將對(duì)原理技術(shù)迭代升級(jí)。這包括全新原理對(duì)堿性電解槽（AWE）升級(jí)，以及全新原理對(duì)酸性質(zhì)子膜電解槽（PEM）升級(jí)。
另一方面，團(tuán)隊(duì)還將對(duì)制氫平臺(tái)技術(shù)迭代升級(jí)，包括建立漂浮式海水直接制氫平臺(tái)技術(shù)（大中型）、固定式海水直接制氫平臺(tái)技術(shù)、動(dòng)力式海水直接制氫船技術(shù)(大噸位)。
而在產(chǎn)業(yè)鏈上下游產(chǎn)業(yè)鏈打造方面，謝和平指出了三條路徑。第一條是與上海交通大學(xué)丁文江團(tuán)隊(duì)合作，打造“海水制氫+鎂基固、儲(chǔ)、運(yùn)、用技術(shù)” 產(chǎn)業(yè)鏈。
其次，其團(tuán)隊(duì)將與國(guó)家能源氫能及氨氫融合新能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張清杰院士團(tuán)隊(duì)合作，打造“海水制氫+氫氨一體化”技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，即直接使用海水制氫，同時(shí)就地轉(zhuǎn)化為已儲(chǔ)運(yùn)的氨燃料，通過(guò)氨運(yùn)輸船（已有）或氨燃料船舶（未來(lái)）完成氨的運(yùn)輸/消納，實(shí)現(xiàn)海上可再生能源驅(qū)動(dòng)的無(wú)碳排放氫—氨循環(huán)，氨氫融合(以氨載氫、氨氫并用)。
再次，未來(lái)也可打造“海水制氫+綠色甲醇一體化”技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，即直接使用海水制氫，并通過(guò)空氣捕獲二氧化碳，就地轉(zhuǎn)化為甲醇燃料，通過(guò)海上現(xiàn)有的油氣管道或甲醇動(dòng)力船舶或甲醇運(yùn)輸船完成綠色甲醇的運(yùn)輸/消納，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上可再生能源驅(qū)動(dòng)的負(fù)碳“氫→綠色甲醇”轉(zhuǎn)化，為燃料動(dòng)力車、合成纖維、塑料、農(nóng)藥、燃料、合成蛋白等提供重要載體。
除了這三條路徑，團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)在海水直接制氫個(gè)性化裝備制造全新產(chǎn)業(yè)鏈上發(fā)力，研發(fā)攻關(guān)個(gè)性化的海上風(fēng)機(jī)等可再生能源技術(shù)及對(duì)接大規(guī)模的“固定式”、“動(dòng)力式”與“漂浮式”海水直接制氫運(yùn)行平臺(tái)全新技術(shù)裝備，力爭(zhēng)引領(lǐng)全球“海洋綠氫”產(chǎn)業(yè)鏈。
謝和平的雄心壯志還不止如此，在演講的最后，其更提出了“提供一個(gè)海灣來(lái)建成大規(guī)模研發(fā)與中試示范基地”的設(shè)想。據(jù)謝和平介紹，2023年7月20日，其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與泉州市委代表見(jiàn)面，協(xié)商落地泉州產(chǎn)業(yè)化事宜。
