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)十大進展之一。
2022年12月16日，東方電氣集團與深圳大學(xué)/四川大學(xué)謝和平院士團隊簽署協(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，由東方電氣集團負責(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聯(lián)合共建的東方電氣（福建）創(chuàng)新研究院有限公司負責(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“藍色的能源”，是巨大的能源寶庫。業(yè)界同時認為，此次海上中試成功，將開啟藍色能源寶庫。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隊的技術(shù)成果?！敝袊鴸|方電氣集團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隊合作的伙伴，之前，已有幾家名聲、實力、規(guī)模都遠勝于它的企業(yè)被征詢過合作意愿。
“很幸運，我們能夠理解謝院士所提出的原理并認同其技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化途徑。”劉泰生說。當時他帶領(lǐng)院里三位博士前往四川大學(xué)的謝和平院士團隊實驗室，聽取技術(shù)介紹和交流后，力主和謝院士團隊達成合作。
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)備成本及運維成本較高，工藝流程復(fù)雜且占用大量土地資源。
20世紀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)外研究團隊圍繞催化劑工程、膜材料科學(xué)等進行了大量研究，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)了海水當作純凈水來用，相當于電解純水，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)科交融的一個團隊。聽完介紹，我們認為理解這項技術(shù)，所以積極表達合作的意愿?！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展還不足以達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、東福研究院與謝院士團隊簽署協(xié)議，把這項技術(shù)引進福州，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。”劉泰生說。
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中。
今年春節(jié)期間，研發(fā)團隊的腳步不停不歇，為項目啟動做緊張的準備，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)團隊，并柔性引進謝和平院士海水制氫團隊成員，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)團隊完成了可搭載海水無淡化原位直接電解制氫中試樣機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興化灣10MW海上風(fēng)機一側(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)機承臺，完成海上電纜及浮筒鋪設(shè)，并運用輔助供電系統(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)定運行的影響？這些問題都促使團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，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)團隊實現(xiàn)了從獨創(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。”接下來，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、檢修等輔助業(yè)務(wù)。
劉泰生透露，團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)模將達到每小時100標方產(chǎn)氫量，一旦成功，就意味著可以正式進入產(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?！眲⑻┥榻B，未來風(fēng)電、光伏制氫綜合成本達到每公斤氫氣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、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。“應(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，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)域里運用會越來越廣泛，使得對氫需求呈現(xiàn)爆炸式增長。“氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了拐點?！眲⑻┥J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)儲氫使得儲運成本進一步下降。第二，在管道輸運方面，氫與天然氣混合輸運，將使得氫的輸運與使用更經(jīng)濟。第三，把氫和氮氣結(jié)合起來生成氨，輸運后再分解為氫和氮。
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?！彼J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標方堿性制氫電解槽，在國內(nèi)是最先進之一，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，補福建大型裝備缺失的短板。”劉泰生認為，東方電氣集團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。
