日前，由深圳清華大學(xué)研究院與西南石油大學(xué)、中國海油、航天科工、北京化工大學(xué)、中科院寧波材料研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等多家單位共同申報的國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”重點專項項目“兆瓦級抗波動直接電解海水制氫關(guān)鍵技術(shù)研究與裝備集成應(yīng)用”獲得科技部立項，項目負責人由西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、深圳清華大學(xué)研究院兼職教授唐鋆磊擔任。
該項目針對海水淡化再制氫面臨的系統(tǒng)復(fù)雜、流程長、維護難等問題，開展耐腐蝕電極、耐鹽高性能關(guān)鍵堆疊材料、抗波動電解工藝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，開發(fā)出能長時間示范運行的兆瓦級直接電解海水制氫系統(tǒng)。項目執(zhí)行期3年（2023.12-2026.11），總經(jīng)費（含配套）超過5000萬元。
這是科技部立項的第一個直接電解海水制氫共性技術(shù)類項目，對推動我國海上新能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新具有重大意義。業(yè)內(nèi)專家認為，項目成果將有力推動我國氫能技術(shù)發(fā)展，培養(yǎng)氫能相關(guān)科技人才，鞏固我國在直接電解海水制氫技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)先地位。
國家重點研發(fā)計劃主要針對國家安全、自主創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)核心競爭力和社會公益等戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、前瞻性重大科學(xué)問題、重大共性關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品開展研究，為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展主要領(lǐng)域提供持續(xù)性的支撐和引領(lǐng)。
海水制氫還需要克服哪些挑戰(zhàn)？
近年來，隨著全球可再生能源的快速發(fā)展，海上風(fēng)電因具備風(fēng)能資源豐富、穩(wěn)定、不受地形限制等優(yōu)點迎來快速增長。利用海上風(fēng)電制氫兼具解決電力消納和制備規(guī)模化綠氫資源的優(yōu)點，對實現(xiàn)“雙碳”目標具有重要意義。
海洋這個水體是巨大的資源，蘊藏了大量的海水資源。它包含了地球上所有的化學(xué)元素，包括鈣離子、鎂離子、鋰離子、鈉離子等等。海水是流動的，是全球共享的一種資源。如果海水能夠直接制氫的話，就會為全人類提供取之不竭的氫氣和氫能。此前，中國工程院院士、深圳大學(xué)深地科學(xué)與能源研究院院長謝和平在公開節(jié)目中表示：“海水制氫把海水資源轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀內(nèi)祟愃枰木G色能源，完全可以造福人類，海水制氫也是海上可再生能源破局的關(guān)鍵，全球都在關(guān)注這個來搶占海上風(fēng)能、風(fēng)電的大的市場領(lǐng)域。因為我們大力發(fā)展海上的可再生能源，包括風(fēng)電、光伏，怎么消納是一個大問題，如果海水來制氫，可對接海上的這些可再生能源，就完全破解了可再生能源大規(guī)模開發(fā)的、吸納的重要的一個載體。海水制氫也是海洋可再生能源一個大規(guī)模、長時效儲能的一個重要手段。所以海水制氫具有重要的意義，是全球未來人類能源重要的一個方向和路徑，在未來的重大能源里面占有非常重要的角色和地位。”事實上，海水制氫產(chǎn)業(yè)輻射能力強、帶動面廣，在技術(shù)、裝備上都走在能源產(chǎn)業(yè)前沿，在引領(lǐng)新一輪的綠色能源變革的同時，還將橫向聯(lián)動、縱向拉動海水淡化、海上清潔能源、海上氫能新基建等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，開拓新需求、新空間。比如，按照電解1噸水會獲得111千克氫氣反算，對海水淡化需求可達225.23萬噸。根據(jù)海水淡化成本5元每噸來計算，到2025年海水制氫將拉動海水淡化工程約1126.13萬元的產(chǎn)值。國際能源署預(yù)測到2050年全球氫年需求量約近3億噸，到2070年達到5.2億噸。在氫能需求側(cè)龐大規(guī)模的拉動下，加之技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化層面的不斷突破，海水制氫產(chǎn)業(yè)即將爆發(fā)。2023年，國內(nèi)海水制氫技術(shù)與項目突破音訊頻傳，海水制氫產(chǎn)業(yè)開始“發(fā)力”，國內(nèi)企業(yè)加快在海水制氫領(lǐng)域的布局。在此前的采訪中，蘇州希倍優(yōu)氫能源科技有限公司總經(jīng)理李留罐表示，總體來看，海水制氫正在嘗試從實驗室邁向產(chǎn)業(yè)化道路。海上風(fēng)電與海水淡化、氫能等多種能源綜合開發(fā)利用融合發(fā)展，有助于實現(xiàn)海域利用效率和制氫規(guī)模化生產(chǎn)的雙重提升，是電解水制氫產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。那么，2024年，展望未來發(fā)展，海水制氫還需要克服哪些挑戰(zhàn)？從技術(shù)路線來看，海水制氫可分為海水直接制氫和海水間接制氫兩種不同的路徑。從目前國內(nèi)外海水制氫示范項目來看，業(yè)內(nèi)已經(jīng)逐漸由原來的采用將海水淡化電解制氫的間接制氫路線，向海水直接制氫深處探索。海水制氫作為極具發(fā)展前景的制氫技術(shù)，主要有兩大優(yōu)勢：- 一方面，海上制氫平臺可作為能源的長期儲存或精細化學(xué)品的生產(chǎn)場所，能讓綠色能源與化工生產(chǎn)系統(tǒng)緊密結(jié)合；
- 另一方面，海上制氫平臺也可以解決深遠海可再生電力消納問題，利用可再生電力就地制氫、制綠氨，或許會成為未來深遠海可再生能源的主要應(yīng)用方式。
當然，直接海水制氫還面臨諸多的技術(shù)難題，例如海水電解制氫除高能耗外，更面臨海水復(fù)雜化學(xué)環(huán)境帶來的額外巨大挑戰(zhàn)，要想將其推向規(guī)模化商用，還有較遠一段路要走。具體來看，海水制氫主要面臨著三大關(guān)鍵性挑戰(zhàn)：- 其一，海水對電解槽的腐蝕。海水的成分復(fù)雜，如溶解的離子（比如Cl-）、細菌、雜質(zhì)等，會對電解槽部件產(chǎn)生腐蝕；
- 其二，海水中雜質(zhì)會導(dǎo)致催化劑失活。雜質(zhì)會在離子交換膜和催化劑表面的沉積黏附（比如Ca2+/Mg2+沉淀物），導(dǎo)致離子通道以及催化活性位點的堵塞，使得催化劑快速失活；
- 其三，海水電解效率低。海水中的氫離子以及氫氧根離子濃度很低，在電解過程中其傳質(zhì)速率緩慢，使得電解效率較低。
如何克服這些挑戰(zhàn)？業(yè)內(nèi)已有科研團隊提出了解決方案并對其進行了驗證。例如，中國工程院院士謝和平及其科研團隊從物理力學(xué)與電化學(xué)相結(jié)合的全新思路，創(chuàng)造性地開創(chuàng)的“全新原理實現(xiàn)海水直接電解制氫”研究成果入選科技部“2022年度中國科學(xué)十大進展”。該技術(shù)在隔絕海水離子同時能實現(xiàn)了無淡化過程、無副反應(yīng)、無額外能耗的高效海水原位直接電解制氫。其實驗團隊已經(jīng)在深圳灣海水中連續(xù)運行超3200小時，從海水中實現(xiàn)了穩(wěn)定和規(guī)模化制氫過程。華中科技大學(xué)材料學(xué)院李箐教授、王譚源副教授團隊設(shè)計了一種Na+交換膜分隔的pH不對稱電解槽，Na+交換膜可以阻止天然海水中的Cl-向陽極運輸，從而避免了競爭性的Cl-氧化，實現(xiàn)了低電壓下的直接海水電解制氫。大連化物所的王二東研究員團隊則是在先后攻克催化劑、電極反應(yīng)過程、電極設(shè)計、電解液調(diào)節(jié)等系列關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題之后，設(shè)計集成的1Nm3/h直接電解海水制氫裝置，采用大連海域自然海水為原料水，已完成2000小時連續(xù)穩(wěn)定運行。總體上看，海水制氫的核心技術(shù)屏障已經(jīng)基本攻克，如何提升這項技術(shù)可靠性和穩(wěn)定性、降低其規(guī)模化生產(chǎn)的成本等問題仍然需要解決。不過未來，在市場驅(qū)動、政策支持下，隨著技術(shù)的不斷突破以及海水制氫產(chǎn)業(yè)鏈制氫、儲運氫、用氫等環(huán)節(jié)不斷擴大與完善，海水制氫的發(fā)展將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來廣闊的空間，輻射帶動海水淡化、電解槽、海洋清潔能源、海洋能、海工裝備、海上交通等領(lǐng)域的發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
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