氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,对构建清洁减排安全高效的能源体系、实现碳达峰碳中和目标,具有重要意义。氢是地球上已知的能量密度最高的物质,燃烧不排放二氧化碳,能够缓解全球变暖问题,是未来清洁能源的解决方案之一。
随着国家对氢能源不断加大支持,目前,全国范围内已建成多所氢能实验室,进行氢能全产业链的研究,包含制氢技术、燃料电池技术、海水直接制氢技术、可再生能源深度耦合等等。
目前全球主流的制氢技术为煤制氢、天然气制氢以及水制氢技术。其中煤制氢和天然气制氢需要消耗不可再生的化石燃料资源,同时产生大量的二氧化碳排放,特别是在单位质量产氢量与碳排放指标上,与水电解制氢相比不具有优势。
电解水制氢,作为绿氢生产的最可行方式,是通过电解水来分离氢气和氧气,过程中可以做到完全清洁,无污染,是绿氢作为氢能源中“零碳”能源的代表性技术。但目前几乎所有的体系都使用淡水资源作为电解液,水制氢面临着能耗偏高且全球淡水资源短缺的挑战,严重制约水制氢技术的发展推广。根据国家能源集团的估算,到2060年中国氢气年需求量将达到1.3亿吨,意味着要消耗23亿吨水资源用于制氢。全球淡水资源极其有限,仅占总水量的3.5%左右,这样的技术现状无疑加剧了淡水资源短缺问题。
比起淡水资源,全球海水占地球水资源重量的96.5%。同时,海上的可再生能源,如风能、光伏、潮汐能等由于波动性强、环境苛刻使得其利用效率低,而通过海上可再生能源进行电解海水制氢,不仅可以廉价高效地制取“绿氢”,也可高效利用海上可再生能源。这样的条件使得电解海水制氢技术在规模化应用方面具有先天优势。不仅如此,如果直接电解海水产生氢气,其作为燃料又可产生高纯度淡水,可同时实现海水净化和产氢的双重目的。
海水制氢虽然具备着众多的优点,但高能垒、低附加值的阳极反应使电解水技术的能耗成本居高不下,短期内难与化石能源重整、工业副产气制氢等传统技术竞争。海水复杂的化学环境导致的催化剂污染失活、海水中存在的大量氯离子造成阳极材料严重腐蚀等问题,更严重制约了海水电解制氢过程的效率与可持续性。
为了加快绿氢的能源效率,减少能源消耗,各地政府、国内多家可再生能源企业、各地高校正在对商业化电解制氢设备进行研发和升级,也针对新课题加快研发脚步,希望在提高制氢效率的同时,完成氢能产业规模经济性的优化提升。
南通安思卓新能源有限公司于2022年初供应深圳大学深地科学与绿色能源研究院一起科研制氢设备进行海水直接制氢的商业化应用,积极助力深圳大学谢和平院士团队更有效的进行绿氢技术、海水能源化利用与低碳技术的研发、推广和使用。
谢和平院士的团队在去年9月份就在深圳市立项申请支持加快海水直接制氢技术的中试和产业化试点,期望能探索构建与海上风能、太阳能再生能源相结合的一体化的沿岸海水原位无淡化直接电解制氢工厂与浮岛式海上风电原位海水无淡化直接电解制氢工厂两大技术示范工程,期待实现具有无海水淡化过程、无海水泵送书输运过程、无海水污染处理过程、无海水制氢设备平台等诸多优势的海上绿氢全新生产技术和路线,与海上风力发电、光伏发电形成多能互补一体化技术体系,最终在全球率先形成中国原创的海洋绿氢新兴战略产业。
大连理工大学精细化工国家重点实验室王治宇、邱介山教授通过在全解水反应中解耦高能耗、动力学迟滞、低附加值的阳极析氧半反应,耦合低能垒、高经济/环境效益的硫离子氧化反应,突破水分解反应电压(1.23 V)与电耗(2.94 kWh m-3 H2)的理论限制,发展了一种海水电解节能制氢耦合硫污染物降解新技术。此前王治宇、邱介山教授团队就已开发了一种质量比活性10-20倍、寿命60倍于商业Pt/C的高活性海水电解催化剂。
福建漳州印发的《漳州市“十四五”能源发展专项规划》提出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。大力发展氢气提纯与制备,加快布局建设工业副产气制氢项目,有序发展海上风电等可再生能源制氢,扩大制氢产业规模。
青岛市政协委员、青岛大学化学化工学院教授、山东省泰山学者青年专家张立学在两会中提出,建议青岛市大力发展电解淡化海水制氢产业。提案中建议加快发展谋划和产业布局,鼓励本土企业投身电解淡化海水制氢产业发展;加大研发力度和投入,通过揭榜挂帅与联合攻关形式启动一批重大科研项目,加快解决电解淡化海水制氢领域的催化剂、膜电极及电解槽等卡脖子技术,提升电解淡化海水的规模化应用和产业发展创新能力。
海水电解制氢的突破对于海上风电制氢具有里程碑得意义,海上风电通过电解海水制取氢气,运输上可以利用天然气管道和运输船,降低了运输运营成本,节约了资源;海上风电制氢还可以消耗陆上电能并借助风电制氢建立风电氢能源联合系统,最终有效解决陆上电网负担过重的问题;海上风电制氢技术作为一种新型的储能方式,发展潜能巨大。