中國儲能網訊：海水資源儲備豐富，電解海水制氫市場前景廣闊。但相較常規(guī)電解水制氫，海水中約3%的鹽含量及雜質中的氯離子對電解海水制氫關鍵材料和關鍵設備提出了更高要求。電解海水制氫難度有多大？如何破解這一難題？敬請關注本版專題。
本版文圖由大連院 孫寶翔 王紅濤 楊 陽 提供
在全球能源轉型的浪潮中，氫能作為“21世紀終極能源”，憑借清潔、高效、可持續(xù)的特性，在能源領域掀起變革風暴。它不僅為交通領域的低碳化轉型提供了解決方案，還可助力工業(yè)脫碳，在化工、冶金等行業(yè)大顯身手，推動“雙碳”目標加速實現。
然而，制取1千克氫至少要消耗9千克水，在傳統(tǒng)電解水技術路徑中，巨量的淡水資源消耗是制約氫能產業(yè)發(fā)展的關鍵瓶頸之一。 科學家把目光投向海洋，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，電解海水制氫對關鍵材料和關鍵設備提出更高要求。目前，電解海水制氫技術主要分為海水淡化與堿水制氫（AWE）或質子交換膜（PEM）制氫耦合；直接以海水為原料進行電解海水制氫。
電解海水制氫需消耗大量電能。在我國沿海地區(qū)和海域，風能、太陽能等綠電資源和海水資源都很豐富，具備綠電生產綠氫的資源優(yōu)勢。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)定且較難儲存的綠電資源轉化為相對容易儲存和消納的綠氫資源。
海水中約3%的鹽含量及雜質中的氯離子，會對電解設備電極造成腐蝕，陽離子的沉積可能堵塞設備孔道，降低電解效率甚至損壞設備。這些亟待解決的技術難題，成為電解海水制氫產業(yè)化的攔路虎。
相較常規(guī)電解水制氫，電解海水制氫對關鍵材料和關鍵設備提出更高要求。目前電解海水制氫技術主要分為兩種：一是海水淡化與堿水制氫（AWE）或質子交換膜（PEM）制氫耦合；二是直接以海水為原料進行電解海水制氫。目前，多數示范裝置均采用第一種技術路徑，海水淡化與堿水制氫均具有較高的技術成熟度且易實現工業(yè)化應用。
大連院海水制氫科研裝置。
電解海水制氫技術分為以膜系統(tǒng)為核心的海水無淡化電解制氫技術和以耐腐蝕材料為核心的電解制氫技術。海水無淡化電解制氫技術通過特殊膜材料與堿水制氫電解槽耦合匹配，利用濃度驅動原理將海水中雜質離子與制氫電解槽循環(huán)液進行有效隔離，以此實現海水穩(wěn)定制氫，該技術的核心是膜材料的開發(fā)，本質上電解槽內仍為純水。以耐腐蝕材料為核心的電解制氫技術則是通過匹配耐腐蝕、高活性的電極、高傳質極板及特定工藝來消除雜質離子對制氫工況的影響，以實現裝置穩(wěn)定運行。
電解海水制氫技術取得積極進展
電解海水制氫技術將與海上風電等可再生能源發(fā)電技術相結合，實現深遠?？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70年代初，科學家提出電解海水制氫的構想。半個世紀以來，國內外研究團隊一直在進行相關研究，電解海水制氫技術攻關接連取得進展。
2021年，中國石化大連院在集團公司科技部的支持下，積極布局電解海水制氫技術，并取得階段性進展。針對海水中雜質離子的影響規(guī)律，項目團隊通過耐腐蝕電極材料、高傳質流道設計及特定電解液凈化模塊的開發(fā)，在克服雜質離子對制氫工況影響的同時，實現多產品并行生產，進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研究人員宣布，通過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生高效、低成本的綠色氫氣。同年4月，美國能源部SLAC國家加速器實驗室和斯坦福大學的研究團隊在《焦耳》雜志發(fā)布最新研究成果，稱把海水輸送到雙膜系統(tǒng)和電力設施中，可將氫氣從海洋中分離出來，且不會產生大量的有害副產品。
6月，由謝和平院士團隊與東方電氣集團聯合開展的全球首次海上風電無淡化海水原位直接電解制氫技術在福建興化灣海上風電場中試成功，項目采用3臺0.4標準立方米/小時樣機并聯，每小時總處理量達1.3標準立方米，為海水制氫產業(yè)化進程加速帶來了希望。
2024年6月，深圳能源集團牽頭深圳氫致能源有限公司和深圳媽灣電力有限公司聯合開發(fā)的首個百標準立方米級電解海水制氫示范工程在深圳媽灣電廠開展示范應用，制氫量100標準立方米/小時，海水制氫技術和實踐呈現“井噴式”推進。
7月18日，謝和平院士團隊與東方電氣聯合開展的10標準立方米/小時海水無淡化直接電解制氫樣機試運行順利突破240小時。
12月12日，中國石化大連院聯合青島煉化公司圍繞電解海水制氫技術涉及的關鍵材料、設備及工藝進行相關研發(fā)并取得重大技術創(chuàng)新突破，建成我國首個工廠化海水制氫科研項目，裝置產氫量為2×10標準立方米/小時，產出的氫氣符合GB/T37244-2018燃料電池車用氫氣要求，直接并入青島煉化廠內氫氣管網，加快了電解海水制氫技術的工業(yè)化進程。
12月20日，全球首臺（套）兆瓦級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電解海水制氫示范中試基地試運行成功。
2025年3月，北京化工大學孫曉明團隊在《自然》雜志發(fā)表文章，揭示了耦合波動性可再生能源電解海水過程中制氫陰極存在的氧化與腐蝕等問題，并基于此提出原位構建多層鈍化結構以抵抗停車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性能源瓶頸提供了解決方案。
業(yè)內專家表示，電解海水制氫技術將與海上風電等可再生能源發(fā)電技術相結合，實現深遠?？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)?；瘧妹媾R多重挑戰(zhàn)
技術大型化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，電能的成本較高及可再生能源電力供應不穩(wěn)定，電解海水制氫技術及安全相關標準與規(guī)范不完善。
盡管電解海水制氫產業(yè)化已取得積極進展，但實現大規(guī)模、持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn)。
首先，技術大型化發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。海水成分復雜，包含92種化學元素及大量微生物，這給直接電解海水制氫帶來諸多挑戰(zhàn)，特別是目前已突破的技術大多集中在中試階段且運行時間較短，從中試到工程化放大階段仍有很多問題需要解決。
其次，電能的成本較高及可再生能源電力供應不穩(wěn)定。制氫裝置與波動電源之間的匹配性、兼容性問題會給設備穩(wěn)定運行帶來新挑戰(zhàn)，阻礙海水制氫產業(yè)化發(fā)展。同時，電解海水制氫整體成本偏高，在制氫市場占有率低，海水制氫技術商業(yè)化的迫切性不足。
最后，海水制氫技術及安全相關標準與規(guī)范不完善。相比常規(guī)電解水制氫，電解海水制氫對水質原料的包容性更高，需明確不同雜質最高閾值，促進海水制氫行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。
針對以上問題，大連院海水制氫技術研發(fā)團隊提出建議。一是以國有大型能源企業(yè)研發(fā)機構為主體，依托重點實驗室、重大科技項目、重大科技專項等，打造大型化應用示范案例，加速海水制氫技術的大型化研發(fā)示范。
二是多渠道保障綠電穩(wěn)定供應，加大研究力度，在沿海地區(qū)建立海陸電網互聯機制，依靠風電、水電、光電等多能互補，保證制氫端的穩(wěn)定供電，并將綠電穩(wěn)定供應與儲能相結合，實現制氫裝置的穩(wěn)定供電，降低電力并網費用。
三是建立完善的技術和安全的相關標準與規(guī)范體系，促進行業(yè)健康發(fā)展，建立不同區(qū)域海水品質數據庫，形成區(qū)域性定制化的海水制氫技術庫，提高技術應用的靈活性。
新聞會客廳：電解海水制氫意義重大
梁 峰 青島煉化正高級工程師
張勝中 大連院高級工程師
問：氫能相關政策、規(guī)劃對青島煉化有哪些利好因素？
答：“十四五”以來，鼓勵氫能產業(yè)發(fā)展的各項政策和相關規(guī)劃持續(xù)發(fā)布。2021年9月，《中共中央、國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》指出，加強氫能生產、儲存、應用關鍵技術研發(fā)、示范和規(guī)?；瘧?，統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展。2021年10月，國務院關于印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》的通知要求，加快氫能技術研發(fā)和示范應用，探索在工業(yè)、交通運輸、建筑等領域規(guī)?；瘧?。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯合印發(fā)《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021~2035年）》。此外，諸多省市和央企、國企也對氫能產業(yè)進行了前瞻布局。
根據相關鼓勵政策和氫能規(guī)劃要求，青島煉化充分依托自身優(yōu)勢，建設了山東省“十四五”氫能產業(yè)重大示范試點項目青島氫能資源基地，首創(chuàng)化學精制法技術產出青島市第一車燃料電池氫，建成青島市首座公用加氫站，開我國“碳中和”加氫站和石化生產企業(yè)獨立建設經營公用加氫站先河。目前，青島煉化成為青島市氫能供應鏈第一公司，擁有青島市唯一的燃料電池氫供應中心。
青島煉化提出“向光要電、向海要氫”技術攻關路線，不斷提升氫能“產研加”示范園建設水平。目前，氫能“產研加”示范園已成為科技部和山東省聯合推進的“氫進萬家”科技示范工程的示范點，氫能生產基地、科研基地和加注充裝基地均已實現正?；\行。示范園內的電解海水制氫科研攻關項目，正是結合了山東省和青島市海上風電、光伏等可再生電力資源豐富，但淡水資源又相對匱乏的區(qū)位特點，對探索和豐富“氫進萬家”具有積極的示范意義。
問：如何解決氫能儲運難點并加以應用？
答：青島煉化擁有近20年的氫能項目建設和生產運行經驗，在常規(guī)氫能運輸和儲存方面，擁有一定的工程和應用經驗。從眾多涉氫企業(yè)相關項目及裝置的建設和運行經驗來看，落實制度、嚴格執(zhí)行安全設計和運行規(guī)范，氫能生產和儲運過程中的安全風險和產品質量都是可控的。電解海水制氫所產氫氣完全滿足青島煉化生產過程所需氫氣的安全和質量要求。目前，項目處于科研攻關階段，科研裝置產出的高品質氫氣并入青島煉化管網系統(tǒng)，并與煉化生產、氫能車輛加注過程關聯。
問：電解海水制氫科研項目投用有哪些示范意義，下一步工作有什么打算？
答：我國首個工廠化電解海水制氫科研項目在青島煉化建成投用，具有眾多優(yōu)勢和示范意義。一是降低了科研項目投資和攻關成本，依托青島煉化全天候運行的工廠化公用工程系統(tǒng)，不再需要為科研項目單獨投資建設和運行配套系統(tǒng)；二是有效回收利用了科研過程中的產品，在增效的同時，避免了排放大氣可能導致的環(huán)保和安全問題；三是為前沿技術在工廠實現拓展應用提供了可能，電解海水制氫技術攻關成功，可進一步用該技術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)開展海水制氫工廠化、規(guī)?；瘧霉リP，力爭建設示范裝置，積極探索通過氫能技術消納沿海地區(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路徑。
問：電解海水制氫相比其他電解水制氫技術有哪些優(yōu)缺點？
答：電解海水制氫技術具有獨特優(yōu)勢，一是海水儲量極為豐富，約占地球總水量的97%，為氫能產業(yè)提供了近乎無限的原料供給；二是將放棄的海上風電轉化為氫能，提高了海上風電利用率，促進深遠?？稍偕茉撮_發(fā)；三是進一步推動沿海綠氫產業(yè)發(fā)展；四是拓寬了電解水制氫的原料來源，降低了對水質的要求。目前，電解海水制氫也存在不足，例如，海水中的氯離子對金屬等具有極強的腐蝕性，海水中的鈣、鎂離子極易在過程中結鹽結垢堵塞設備和管路，另外，也存在氯離子被電解為氯氣而造成產品質量污染等問題。
問：沿海地區(qū)如何消納綠電生產的綠氫？
答：將普通的淡水處理為高潔凈度的純水，再利用風電、光伏等可再生綠電能源來電解水制氫，生產零碳排放的綠氫，用于驅動氫能車輛和氫能船舶，也可作為原料用于煉油、化工等生產過程。海水資源豐富，若能結合海上或沿海地區(qū)風電、光伏、潮汐等可再生綠電資源生產綠氫，將對氫能產業(yè)發(fā)展具有重要意義。同時，海上綠電直接轉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距離輸送和存儲面臨的難題。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梯級利用技術，已形成初步的降本方案，下一步主要攻克技術難題，進一步降低應用成本，啟動工業(yè)示范項目前期工作。
問：電解海水制氫成本較高，其意義何在？
答：目前，淡水制氫技術已較為成熟，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豐富，以海水作為制氫原料將是未來氫能和氫儲能發(fā)展的一個重要方向。電解海水制氫確實面臨腐蝕、氯氣副產物、雜質干擾等諸多技術挑戰(zhàn)，但若技術突破成功，其意義將遠超傳統(tǒng)電解淡水制氫，主要體現在三個方面：一是構建電解海水制氫與煉化企業(yè)生產耦合工藝流程，將電解海水過程中產生的固體、濃液、氣體與煉化生產過程的特定工藝實現物料互供或梯級利用，形成電解制氫過程不產生污染物的閉環(huán)系統(tǒng)，使電解海水制氫技術具有一定的經濟性和持續(xù)研發(fā)的可行性；二是為沿海地區(qū)開啟海洋氫電能源時代，海洋風光或潮汐洋流提供綠電，綠電制氫提供化工生產氫氣原料，開發(fā)即時波動、長期穩(wěn)定的氫電供應技術，實現化工生產動力或原料零碳排放；三是打開海洋資源寶庫，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值資源耦合，能夠為人類提供數十萬年的清潔能源。
