中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：海水資源儲(chǔ)備豐富，電解海水制氫市場(chǎng)前景廣闊。但相較常規(guī)電解水制氫，海水中約3%的鹽含量及雜質(zhì)中的氯離子對(duì)電解海水制氫關(guān)鍵材料和關(guān)鍵設(shè)備提出了更高要求。電解海水制氫難度有多大？如何破解這一難題？敬請(qǐng)關(guān)注本版專(zhuān)題。
本版文圖由大連院 孫寶翔 王紅濤 楊 陽(yáng) 提供
在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，氫能作為“21世紀(jì)終極能源”，憑借清潔、高效、可持續(xù)的特性，在能源領(lǐng)域掀起變革風(fēng)暴。它不僅為交通領(lǐng)域的低碳化轉(zhuǎn)型提供了解決方案，還可助力工業(yè)脫碳，在化工、冶金等行業(yè)大顯身手，推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)加速實(shí)現(xiàn)。
然而，制取1千克氫至少要消耗9千克水，在傳統(tǒng)電解水技術(shù)路徑中，巨量的淡水資源消耗是制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。 科學(xué)家把目光投向海洋，海洋覆蓋地球約71%的面積，是地球上最大的氫礦，從海水中取氫成為未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向。
電解海水制氫方式雙管齊下
相較常規(guī)電解水制氫，電解海水制氫對(duì)關(guān)鍵材料和關(guān)鍵設(shè)備提出更高要求。目前，電解海水制氫技術(shù)主要分為海水淡化與堿水制氫（AWE）或質(zhì)子交換膜（PEM）制氫耦合；直接以海水為原料進(jìn)行電解海水制氫。
電解海水制氫需消耗大量電能。在我國(guó)沿海地區(qū)和海域，風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠電資源和海水資源都很豐富，具備綠電生產(chǎn)綠氫的資源優(yōu)勢(shì)。電解海水制氫不僅節(jié)省寶貴的淡水資源，而且能將不穩(wěn)定且較難儲(chǔ)存的綠電資源轉(zhuǎn)化為相對(duì)容易儲(chǔ)存和消納的綠氫資源。
海水中約3%的鹽含量及雜質(zhì)中的氯離子，會(huì)對(duì)電解設(shè)備電極造成腐蝕，陽(yáng)離子的沉積可能堵塞設(shè)備孔道，降低電解效率甚至損壞設(shè)備。這些亟待解決的技術(shù)難題，成為電解海水制氫產(chǎn)業(yè)化的攔路虎。
相較常規(guī)電解水制氫，電解海水制氫對(duì)關(guān)鍵材料和關(guān)鍵設(shè)備提出更高要求。目前電解海水制氫技術(shù)主要分為兩種：一是海水淡化與堿水制氫（AWE）或質(zhì)子交換膜（PEM）制氫耦合；二是直接以海水為原料進(jìn)行電解海水制氫。目前，多數(shù)示范裝置均采用第一種技術(shù)路徑，海水淡化與堿水制氫均具有較高的技術(shù)成熟度且易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
大連院海水制氫科研裝置。
電解海水制氫技術(shù)分為以膜系統(tǒng)為核心的海水無(wú)淡化電解制氫技術(shù)和以耐腐蝕材料為核心的電解制氫技術(shù)。海水無(wú)淡化電解制氫技術(shù)通過(guò)特殊膜材料與堿水制氫電解槽耦合匹配，利用濃度驅(qū)動(dòng)原理將海水中雜質(zhì)離子與制氫電解槽循環(huán)液進(jìn)行有效隔離，以此實(shí)現(xiàn)海水穩(wěn)定制氫，該技術(shù)的核心是膜材料的開(kāi)發(fā)，本質(zhì)上電解槽內(nèi)仍為純水。以耐腐蝕材料為核心的電解制氫技術(shù)則是通過(guò)匹配耐腐蝕、高活性的電極、高傳質(zhì)極板及特定工藝來(lái)消除雜質(zhì)離子對(duì)制氫工況的影響，以實(shí)現(xiàn)裝置穩(wěn)定運(yùn)行。
電解海水制氫技術(shù)取得積極進(jìn)展
電解海水制氫技術(shù)將與海上風(fēng)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)?？稍偕娏Φ木偷叵{，大幅降低電力傳輸和制氫成本，形成以綠氫為核心的海上可再生能源綜合利用新模式。
20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家提出電解海水制氫的構(gòu)想。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)一直在進(jìn)行相關(guān)研究，電解海水制氫技術(shù)攻關(guān)接連取得進(jìn)展。
2021年，中國(guó)石化大連院在集團(tuán)公司科技部的支持下，積極布局電解海水制氫技術(shù)，并取得階段性進(jìn)展。針對(duì)海水中雜質(zhì)離子的影響規(guī)律，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)耐腐蝕電極材料、高傳質(zhì)流道設(shè)計(jì)及特定電解液凈化模塊的開(kāi)發(fā)，在克服雜質(zhì)離子對(duì)制氫工況影響的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品并行生產(chǎn)，進(jìn)一步提高了海水的綜合利用率。
2023年2月，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)研究人員宣布，通過(guò)由摻氮磷化鎳鉬片制成的新型催化劑，可以直接從海水中產(chǎn)生高效、低成本的綠色氫氣。同年4月，美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《焦耳》雜志發(fā)布最新研究成果，稱(chēng)把海水輸送到雙膜系統(tǒng)和電力設(shè)施中，可將氫氣從海洋中分離出來(lái)，且不會(huì)產(chǎn)生大量的有害副產(chǎn)品。
6月，由謝和平院士團(tuán)隊(duì)與東方電氣集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)展的全球首次海上風(fēng)電無(wú)淡化海水原位直接電解制氫技術(shù)在福建興化灣海上風(fēng)電場(chǎng)中試成功，項(xiàng)目采用3臺(tái)0.4標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)樣機(jī)并聯(lián)，每小時(shí)總處理量達(dá)1.3標(biāo)準(zhǔn)立方米，為海水制氫產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速帶來(lái)了希望。
2024年6月，深圳能源集團(tuán)牽頭深圳氫致能源有限公司和深圳媽灣電力有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的首個(gè)百標(biāo)準(zhǔn)立方米級(jí)電解海水制氫示范工程在深圳媽灣電廠開(kāi)展示范應(yīng)用，制氫量100標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，海水制氫技術(shù)和實(shí)踐呈現(xiàn)“井噴式”推進(jìn)。
7月18日，謝和平院士團(tuán)隊(duì)與東方電氣聯(lián)合開(kāi)展的10標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)海水無(wú)淡化直接電解制氫樣機(jī)試運(yùn)行順利突破240小時(shí)。
12月12日，中國(guó)石化大連院聯(lián)合青島煉化公司圍繞電解海水制氫技術(shù)涉及的關(guān)鍵材料、設(shè)備及工藝進(jìn)行相關(guān)研發(fā)并取得重大技術(shù)創(chuàng)新突破，建成我國(guó)首個(gè)工廠化海水制氫科研項(xiàng)目，裝置產(chǎn)氫量為2×10標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時(shí)，產(chǎn)出的氫氣符合GB/T37244-2018燃料電池車(chē)用氫氣要求，直接并入青島煉化廠內(nèi)氫氣管網(wǎng)，加快了電解海水制氫技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程。
12月20日，全球首臺(tái)（套）兆瓦級(jí)電解海水制氫裝置在中海油能源發(fā)展股份有限公司兆瓦級(jí)電解海水制氫示范中試基地試運(yùn)行成功。
2025年3月，北京化工大學(xué)孫曉明團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表文章，揭示了耦合波動(dòng)性可再生能源電解海水過(guò)程中制氫陰極存在的氧化與腐蝕等問(wèn)題，并基于此提出原位構(gòu)建多層鈍化結(jié)構(gòu)以抵抗停車(chē)工況下陰極的氧滲透，為消除堿性電解槽和陰離子交換膜電解槽耦合波動(dòng)性能源瓶頸提供了解決方案。
業(yè)內(nèi)專(zhuān)家表示，電解海水制氫技術(shù)將與海上風(fēng)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)?？稍偕娏Φ木偷叵{，大幅降低電力傳輸和制氫成本，形成以綠氫為核心的海上可再生能源綜合利用新模式。
規(guī)模化應(yīng)用面臨多重挑戰(zhàn)
技術(shù)大型化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，電能的成本較高及可再生能源電力供應(yīng)不穩(wěn)定，電解海水制氫技術(shù)及安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范不完善。
盡管電解海水制氫產(chǎn)業(yè)化已取得積極進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。
首先，技術(shù)大型化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。海水成分復(fù)雜，包含92種化學(xué)元素及大量微生物，這給直接電解海水制氫帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，特別是目前已突破的技術(shù)大多集中在中試階段且運(yùn)行時(shí)間較短，從中試到工程化放大階段仍有很多問(wèn)題需要解決。
其次，電能的成本較高及可再生能源電力供應(yīng)不穩(wěn)定。制氫裝置與波動(dòng)電源之間的匹配性、兼容性問(wèn)題會(huì)給設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新挑戰(zhàn)，阻礙海水制氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時(shí)，電解海水制氫整體成本偏高，在制氫市場(chǎng)占有率低，海水制氫技術(shù)商業(yè)化的迫切性不足。
最后，海水制氫技術(shù)及安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范不完善。相比常規(guī)電解水制氫，電解海水制氫對(duì)水質(zhì)原料的包容性更高，需明確不同雜質(zhì)最高閾值，促進(jìn)海水制氫行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。
針對(duì)以上問(wèn)題，大連院海水制氫技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出建議。一是以國(guó)有大型能源企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)為主體，依托重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重大科技項(xiàng)目、重大科技專(zhuān)項(xiàng)等，打造大型化應(yīng)用示范案例，加速海水制氫技術(shù)的大型化研發(fā)示范。
二是多渠道保障綠電穩(wěn)定供應(yīng)，加大研究力度，在沿海地區(qū)建立海陸電網(wǎng)互聯(lián)機(jī)制，依靠風(fēng)電、水電、光電等多能互補(bǔ)，保證制氫端的穩(wěn)定供電，并將綠電穩(wěn)定供應(yīng)與儲(chǔ)能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制氫裝置的穩(wěn)定供電，降低電力并網(wǎng)費(fèi)用。
三是建立完善的技術(shù)和安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展，建立不同區(qū)域海水品質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成區(qū)域性定制化的海水制氫技術(shù)庫(kù)，提高技術(shù)應(yīng)用的靈活性。
新聞會(huì)客廳：電解海水制氫意義重大
梁 峰 青島煉化正高級(jí)工程師
張勝中 大連院高級(jí)工程師
問(wèn)：氫能相關(guān)政策、規(guī)劃對(duì)青島煉化有哪些利好因素？
答：“十四五”以來(lái)，鼓勵(lì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的各項(xiàng)政策和相關(guān)規(guī)劃持續(xù)發(fā)布。2021年9月，《中共中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》指出，加強(qiáng)氫能生產(chǎn)、儲(chǔ)存、應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、示范和規(guī)?；瘧?yīng)用，統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制儲(chǔ)輸用”全鏈條發(fā)展。2021年10月，國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》的通知要求，加快氫能技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用，探索在工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用。2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021~2035年）》。此外，諸多省市和央企、國(guó)企也對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了前瞻布局。
根據(jù)相關(guān)鼓勵(lì)政策和氫能規(guī)劃要求，青島煉化充分依托自身優(yōu)勢(shì)，建設(shè)了山東省“十四五”氫能產(chǎn)業(yè)重大示范試點(diǎn)項(xiàng)目青島氫能資源基地，首創(chuàng)化學(xué)精制法技術(shù)產(chǎn)出青島市第一車(chē)燃料電池氫，建成青島市首座公用加氫站，開(kāi)我國(guó)“碳中和”加氫站和石化生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)立建設(shè)經(jīng)營(yíng)公用加氫站先河。目前，青島煉化成為青島市氫能供應(yīng)鏈第一公司，擁有青島市唯一的燃料電池氫供應(yīng)中心。
青島煉化提出“向光要電、向海要?dú)洹奔夹g(shù)攻關(guān)路線，不斷提升氫能“產(chǎn)研加”示范園建設(shè)水平。目前，氫能“產(chǎn)研加”示范園已成為科技部和山東省聯(lián)合推進(jìn)的“氫進(jìn)萬(wàn)家”科技示范工程的示范點(diǎn)，氫能生產(chǎn)基地、科研基地和加注充裝基地均已實(shí)現(xiàn)正?；\(yùn)行。示范園內(nèi)的電解海水制氫科研攻關(guān)項(xiàng)目，正是結(jié)合了山東省和青島市海上風(fēng)電、光伏等可再生電力資源豐富，但淡水資源又相對(duì)匱乏的區(qū)位特點(diǎn)，對(duì)探索和豐富“氫進(jìn)萬(wàn)家”具有積極的示范意義。
問(wèn)：如何解決氫能儲(chǔ)運(yùn)難點(diǎn)并加以應(yīng)用？
答：青島煉化擁有近20年的氫能項(xiàng)目建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在常規(guī)氫能運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面，擁有一定的工程和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。從眾多涉氫企業(yè)相關(guān)項(xiàng)目及裝置的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，落實(shí)制度、嚴(yán)格執(zhí)行安全設(shè)計(jì)和運(yùn)行規(guī)范，氫能生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量都是可控的。電解海水制氫所產(chǎn)氫氣完全滿足青島煉化生產(chǎn)過(guò)程所需氫氣的安全和質(zhì)量要求。目前，項(xiàng)目處于科研攻關(guān)階段，科研裝置產(chǎn)出的高品質(zhì)氫氣并入青島煉化管網(wǎng)系統(tǒng)，并與煉化生產(chǎn)、氫能車(chē)輛加注過(guò)程關(guān)聯(lián)。
問(wèn)：電解海水制氫科研項(xiàng)目投用有哪些示范意義，下一步工作有什么打算？
答：我國(guó)首個(gè)工廠化電解海水制氫科研項(xiàng)目在青島煉化建成投用，具有眾多優(yōu)勢(shì)和示范意義。一是降低了科研項(xiàng)目投資和攻關(guān)成本，依托青島煉化全天候運(yùn)行的工廠化公用工程系統(tǒng)，不再需要為科研項(xiàng)目單獨(dú)投資建設(shè)和運(yùn)行配套系統(tǒng)；二是有效回收利用了科研過(guò)程中的產(chǎn)品，在增效的同時(shí)，避免了排放大氣可能導(dǎo)致的環(huán)保和安全問(wèn)題；三是為前沿技術(shù)在工廠實(shí)現(xiàn)拓展應(yīng)用提供了可能，電解海水制氫技術(shù)攻關(guān)成功，可進(jìn)一步用該技術(shù)處理同樣具有高含鹽特性的石化廢水，為探索工業(yè)廢水資源化利用提供了一種可能路徑。
下一步，青島煉化將與大連院持續(xù)開(kāi)展海水制氫工廠化、規(guī)模化應(yīng)用攻關(guān)，力爭(zhēng)建設(shè)示范裝置，積極探索通過(guò)氫能技術(shù)消納沿海地區(qū)和海上的綠電資源，以及石化企業(yè)高含鹽廢水資源化利用的技術(shù)路徑。
問(wèn)：電解海水制氫相比其他電解水制氫技術(shù)有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？
答：電解海水制氫技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，一是海水儲(chǔ)量極為豐富，約占地球總水量的97%，為氫能產(chǎn)業(yè)提供了近乎無(wú)限的原料供給；二是將放棄的海上風(fēng)電轉(zhuǎn)化為氫能，提高了海上風(fēng)電利用率，促進(jìn)深遠(yuǎn)海可再生能源開(kāi)發(fā)；三是進(jìn)一步推動(dòng)沿海綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展；四是拓寬了電解水制氫的原料來(lái)源，降低了對(duì)水質(zhì)的要求。目前，電解海水制氫也存在不足，例如，海水中的氯離子對(duì)金屬等具有極強(qiáng)的腐蝕性，海水中的鈣、鎂離子極易在過(guò)程中結(jié)鹽結(jié)垢堵塞設(shè)備和管路，另外，也存在氯離子被電解為氯氣而造成產(chǎn)品質(zhì)量污染等問(wèn)題。
問(wèn)：沿海地區(qū)如何消納綠電生產(chǎn)的綠氫？
答：將普通的淡水處理為高潔凈度的純水，再利用風(fēng)電、光伏等可再生綠電能源來(lái)電解水制氫，生產(chǎn)零碳排放的綠氫，用于驅(qū)動(dòng)氫能車(chē)輛和氫能船舶，也可作為原料用于煉油、化工等生產(chǎn)過(guò)程。海水資源豐富，若能結(jié)合海上或沿海地區(qū)風(fēng)電、光伏、潮汐等可再生綠電資源生產(chǎn)綠氫，將對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。同時(shí)，海上綠電直接轉(zhuǎn)化為高能量密度的氫能，向氫能船舶加注，在一定程度上解決了海上綠電長(zhǎng)距離輸送和存儲(chǔ)面臨的難題。近期，大連院和青島煉化探討了兼顧海水制氫和濃縮電解液耦合煉化生產(chǎn)梯級(jí)利用技術(shù)，已形成初步的降本方案，下一步主要攻克技術(shù)難題，進(jìn)一步降低應(yīng)用成本，啟動(dòng)工業(yè)示范項(xiàng)目前期工作。
問(wèn)：電解海水制氫成本較高，其意義何在？
答：目前，淡水制氫技術(shù)已較為成熟，但沿海地區(qū)或海上淡水資源緊張，而可再生電力資源相對(duì)豐富，以海水作為制氫原料將是未來(lái)氫能和氫儲(chǔ)能發(fā)展的一個(gè)重要方向。電解海水制氫確實(shí)面臨腐蝕、氯氣副產(chǎn)物、雜質(zhì)干擾等諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，但若技術(shù)突破成功，其意義將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電解淡水制氫，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是構(gòu)建電解海水制氫與煉化企業(yè)生產(chǎn)耦合工藝流程，將電解海水過(guò)程中產(chǎn)生的固體、濃液、氣體與煉化生產(chǎn)過(guò)程的特定工藝實(shí)現(xiàn)物料互供或梯級(jí)利用，形成電解制氫過(guò)程不產(chǎn)生污染物的閉環(huán)系統(tǒng)，使電解海水制氫技術(shù)具有一定的經(jīng)濟(jì)性和持續(xù)研發(fā)的可行性；二是為沿海地區(qū)開(kāi)啟海洋氫電能源時(shí)代，海洋風(fēng)光或潮汐洋流提供綠電，綠電制氫提供化工生產(chǎn)氫氣原料，開(kāi)發(fā)即時(shí)波動(dòng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定的氫電供應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)動(dòng)力或原料零碳排放；三是打開(kāi)海洋資源寶庫(kù)，如果僅僅考慮電解海水制氫，則忽略了海洋中豐富的鋰、鎂、重水等自然資源，將電解海水制氫與海水高價(jià)值資源耦合，能夠?yàn)槿祟?lèi)提供數(shù)十萬(wàn)年的清潔能源。
