当前，全球90%以上的氢气由碳基能源制取（煤制氢、天然气制氢）。开发更适宜的制氢技术成为当前一大突出问题，利用可再生能源电解水制氢被公认为最清洁的制氢技术主流。然而，全球淡水资源有限，若想要实现大规模制氢，还需要更高的技术研发。水是一种充足的自然资源，其约占地球表面的71％。其中，海水占地球全部水量的96.5%，与淡水不同，其成分非常复杂，涉及的化学物质及元素有92种。海水的盐度大约为 35psu（35‰），其中钠（Na+）、镁（Mg2+）、钙（Ca2+）、钾（K+）、氯（Cl-）、硫酸（SO42-）离子占海水总含盐量的 99%以上。海水中所含有的大量离子、微生物和颗粒等杂质，会导致制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题。为此，以海水为原料制氢形成了海水直接制氢和海水间接制氢两种不同的技术路线。海水直接制氢的路线主要通过电解水制氢或光解水制氢方式制取，全球主要研究机构有中国科学院、法国国家科学研究中心、日本东北工业大学、北京化工大学、印度科学工业研究理事会、美国休斯敦大学等；海水间接制氢则是将海水先淡化形成高纯度淡水再制氢，即海水淡化技术与电解、光解、热解等水解制氢技术的结合。我国近期发布的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》中明确表示，开展可再生能源制氢示范，“推进海水制氢技术研发”：在风光水电资源丰富地区，开展可再生能源制氢示范，逐步扩大示范规模，探索季节性储能和电网调峰。推进固体氧化物电解池制氢、光解水制氢、海水制氢、核能高温制氢等技术研发。在我国沿海地区，海水制氢也将快速实现。近日福建漳州印发的《漳州市“十四五”能源发展专项规划》表示：“要利用大规模海上风电开发探索海上风电制氢及化工行业的工业副产氢等清洁能源。在海水制氢、海洋牧场养殖、沿海潮汐能、波浪能利用等领域取得技术突破。”此前，山东省印发《海洋强省建设行动计划》，其中指出：青岛实施多能互补供电、海水源供冷供热、海水淡化、海水制氢等工程。
2月23日，明阳智慧能源集团总部主体工程正式开工。据悉，明阳集团总部项目总投资11亿元，规划将大兆瓦风力发电机组、海水制氢等项目纳入总部经济核算。明阳集团董事长张传卫曾表示，氢从海上来，从海上风电到海水制氢，海水制的氢实际上岸都进入复合中氢，电和氢同时进入加氢站、充电站，甚至包括以后还有更多的服务体。
2021年2月，由中国科学院海西研究院、澳大利亚联邦科学与工业研究组织、福建浩达智能科技股份有限公司三方开展的跨国产学研合作项目正式启动。该项目是中澳三方科研团队共同打造，合作开发一项创新技术，将有效解决电解制氢所面临的水资源限制的难题。该技术使用特殊涂层和结构的电解槽，高效利用废弃二氧化碳和丰富的海水作为原料，产生可再生的合成可燃烧清洁气体。2021年3月，广东省2021年重点建设项目计划“海上漂浮式风电+海洋牧场+海水制氢”项目获批。该项目总投资 530 亿元，分两期建设。一期建设“海上风电+海洋牧场（部分）+海上漂浮式风电”，风电装机容量 100 万千瓦；二期建设“海上漂浮式风电+海洋牧场+海水制氢”，风电装机容量200 万千瓦。电解海水制备氢气可通过两种方式实现，一种是先对海水淡化并除杂形成淡水后进行电解；另一种是直接对海水进行电解（如下图1所示）[1]。从应用角度来看，除了开发稳定高效的催化剂外，还必须设计合适的高性能、低成本海水电解槽。目前，碱性水电解槽（Alkaline Water Electrolysers，AWE）和质子交换膜水电解槽（Proton Exchange Membrane Water Electrolyser，PEMWE）两种低温（<100℃）电解槽在商业市场较为成熟；另外还有低温的阴离子交换膜水电解槽（Anion Exchange Membrane Water Electrolyser，AEMWE）和高温水电解槽（High-Temperature Water Electrolysers，HTWE）两种新兴技术，其中高温电解包括质子导电陶瓷电解（150~400℃）和固体氧化物电解（800~1000℃）。这些电解槽直接用来电解海水时，海水复杂的天然成分会对电解产生影响。其中主要问题是离子交换膜的物理或化学堵塞和金属组件的腐蚀，例如海水中的 Na+、Mg2+和 Ca2+离子会降低 HTWE 和 PEMWE 质子交换膜的性能；Cl-、Br-、SO42-等阴离子又会对 AEMWE、AWE 和 HTWE 的膜性能产生不利影响。因此，开发稳定的隔膜是海水直接电解面临的重要挑战[2]。目前，海水电解制氢是直接利用海水制备氢气最为成熟的技术。研究发现，海水直接制氢技术尚停留在技术研发与验证阶段，依然面临着很大挑战；海水间接制氢理则仍需通过示范解决复杂生产流程中存在的问题。其未来发展取决于氢能发展对氢产量的需求、电力来源的成本和可行性以及技术可行性三个因素。未来氢能源如能实现广泛应用并带来氢需求规模的高度膨胀，且可再生能源并网供电及电力成本降低，海水制氢有可能迎来发展机遇。[1]申雪然,冯彩虹,代政,赵芸,矫庆泽.电解海水制氢的研究进展[J].化工新型材料,2021,4912:55-60.[2]万晶晶,张军,王友转,张丽佳,董星.海水制氢技术发展现状与展望[J].世界科技研究与发展:1-10.
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2022-04-29
氢能观察张赢306530
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