當前，全球90%以上的氫氣由碳基能源制取（煤制氫、天然氣制氫）。開發更適宜的制氫技術成為當前一大突出問題，利用可再生能源電解水制氫被公認為最清潔的制氫技術主流。然而，全球淡水資源有限，若想要實現大規模制氫，還需要更高的技術研發。水是一種充足的自然資源，其約占地球表面的71％。其中，海水占地球全部水量的96.5%，與淡水不同，其成分非常復雜，涉及的化學物質及元素有92種。海水的鹽度大約為 35psu（35‰），其中鈉（Na+）、鎂（Mg2+）、鈣（Ca2+）、鉀（K+）、氯（Cl-）、硫酸（SO42-）離子占海水總含鹽量的 99%以上。海水中所含有的大量離子、微生物和顆粒等雜質，會導致制取氫氣時產生副反應競爭、催化劑失活、隔膜堵塞等問題。為此，以海水為原料制氫形成了海水直接制氫和海水間接制氫兩種不同的技術路線。海水直接制氫的路線主要通過電解水制氫或光解水制氫方式制取，全球主要研究機構有中國科學院、法國國家科學研究中心、日本東北工業大學、北京化工大學、印度科學工業研究理事會、美國休斯敦大學等；海水間接制氫則是將海水先淡化形成高純度淡水再制氫，即海水淡化技術與電解、光解、熱解等水解制氫技術的結合。我國近期發布的《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》中明確表示，開展可再生能源制氫示范，“推進海水制氫技術研發”：在風光水電資源豐富地區，開展可再生能源制氫示范，逐步擴大示范規模，探索季節性儲能和電網調峰。推進固體氧化物電解池制氫、光解水制氫、海水制氫、核能高溫制氫等技術研發。在我國沿海地區，海水制氫也將快速實現。近日福建漳州印發的《漳州市“十四五”能源發展專項規劃》表示：“要利用大規模海上風電開發探索海上風電制氫及化工行業的工業副產氫等清潔能源。在海水制氫、海洋牧場養殖、沿海潮汐能、波浪能利用等領域取得技術突破。”此前，山東省印發《海洋強省建設行動計劃》，其中指出：青島實施多能互補供電、海水源供冷供熱、海水淡化、海水制氫等工程。
2月23日，明陽智慧能源集團總部主體工程正式開工。據悉，明陽集團總部項目總投資11億元，規劃將大兆瓦風力發電機組、海水制氫等項目納入總部經濟核算。明陽集團董事長張傳衛曾表示，氫從海上來，從海上風電到海水制氫，海水制的氫實際上岸都進入復合中氫，電和氫同時進入加氫站、充電站，甚至包括以后還有更多的服務體。
2021年2月，由中國科學院海西研究院、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織、福建浩達智能科技股份有限公司三方開展的跨國產學研合作項目正式啟動。該項目是中澳三方科研團隊共同打造，合作開發一項創新技術，將有效解決電解制氫所面臨的水資源限制的難題。該技術使用特殊涂層和結構的電解槽，高效利用廢棄二氧化碳和豐富的海水作為原料，產生可再生的合成可燃燒清潔氣體。2021年3月，廣東省2021年重點建設項目計劃“海上漂浮式風電+海洋牧場+海水制氫”項目獲批。該項目總投資 530 億元，分兩期建設。一期建設“海上風電+海洋牧場（部分）+海上漂浮式風電”，風電裝機容量 100 萬千瓦；二期建設“海上漂浮式風電+海洋牧場+海水制氫”，風電裝機容量200 萬千瓦。電解海水制備氫氣可通過兩種方式實現，一種是先對海水淡化并除雜形成淡水后進行電解；另一種是直接對海水進行電解（如下圖1所示）[1]。從應用角度來看，除了開發穩定高效的催化劑外，還必須設計合適的高性能、低成本海水電解槽。目前，堿性水電解槽（Alkaline Water Electrolysers，AWE）和質子交換膜水電解槽（Proton Exchange Membrane Water Electrolyser，PEMWE）兩種低溫（<100℃）電解槽在商業市場較為成熟；另外還有低溫的陰離子交換膜水電解槽（Anion Exchange Membrane Water Electrolyser，AEMWE）和高溫水電解槽（High-Temperature Water Electrolysers，HTWE）兩種新興技術，其中高溫電解包括質子導電陶瓷電解（150~400℃）和固體氧化物電解（800~1000℃）。這些電解槽直接用來電解海水時，海水復雜的天然成分會對電解產生影響。其中主要問題是離子交換膜的物理或化學堵塞和金屬組件的腐蝕，例如海水中的 Na+、Mg2+和 Ca2+離子會降低 HTWE 和 PEMWE 質子交換膜的性能；Cl-、Br-、SO42-等陰離子又會對 AEMWE、AWE 和 HTWE 的膜性能產生不利影響。因此，開發穩定的隔膜是海水直接電解面臨的重要挑戰[2]。目前，海水電解制氫是直接利用海水制備氫氣最為成熟的技術。研究發現，海水直接制氫技術尚停留在技術研發與驗證階段，依然面臨著很大挑戰；海水間接制氫理則仍需通過示范解決復雜生產流程中存在的問題。其未來發展取決于氫能發展對氫產量的需求、電力來源的成本和可行性以及技術可行性三個因素。未來氫能源如能實現廣泛應用并帶來氫需求規模的高度膨脹，且可再生能源并網供電及電力成本降低，海水制氫有可能迎來發展機遇。[1]申雪然,馮彩虹,代政,趙蕓,矯慶澤.電解海水制氫的研究進展[J].化工新型材料,2021,4912:55-60.[2]萬晶晶,張軍,王友轉,張麗佳,董星.海水制氫技術發展現狀與展望[J].世界科技研究與發展:1-10.
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2022-04-29
氫能觀察張贏308420
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