破解世纪难题，氢能发展取得重大突破

海上风电平价时代，用海上风电直接电解海水制氢又传来突破。

日前，在福建兴化湾海上风电场，东方电气集团与深圳大学/四川大学谢和平院士团队联合，开展的海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术海上中试获得成功。

这是全球首个海上风电无淡化海水直接电解制氢海试成功的案例。

不仅破解了近半个世纪的世界性难题，更打开了低成本绿氢生产的大门。

2022年11月30日，谢和平院士团队在《nature》杂志上发表了一篇题为《A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation》的研究文章。该成果还被评为2022年中国科学十大进展之一。

文章中讲述了该团队关于海水无淡化电解制氢的技术路线。

该研究通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应巧妙结合，建立了相变迁移驱动的海水直接电解制氢理论模型。

a:典型的海水电解系统示意图；b:水净化迁移过程中基于液气液相相移的迁移机理及其驱动力

图源：Heping Xie, Zhiyu Zhao, Tao Liu等,A membrane-based seawater electrolyser for hydrogen generation[J].nature，2022，612:673-692

就像图中所演示，电解系统被分成几个部分，最外侧外框架，与海水临近的是聚四氟乙烯膜，再里边是电解质和电池的两极。

在运行过程中，海水侧和电解质侧的水蒸气压力差导致海水自发蒸发，并以蒸汽形式通过薄膜，扩散到电解质侧，在那里通过电解质的吸收重新液化。

这种相变迁移过程允许从海水原位生成纯水进行电解，具有100%的离子阻断效率，同时在电解质中电解所消耗的水成功地保持了界面压差。

当水的迁移速率等于电解速率时，就会在海水和电解质之间建立了新的热力学平衡，并通过“液-气-液”机制实现了连续稳定的水转移，为电解提供淡水。

从而完成电解海水的过程持续进行。在反应过程中能够实现海水无淡化、无副反应、无额外能耗的高效海水原位直接电解制氢。

2022年12月16日，东方电气与谢和平院士团队签署协议，由东方电气集团负责成果转化和产业化。

今年5月中下旬，双方联合研制的全球首套与可再生能源相结合的漂浮式海上制氢平台“东福一号”，在福建兴华湾海上风电场开展海上中试。

该平台是海水无淡化原位直接电解制氢海试样机，在经受了8级大风、1米高海浪、暴雨等海洋环境考验后，连续稳定运行了超过240小时，验证了由中国科学家原创的海水无淡化原位直接电解制氢原理与技术在真实海洋环境下的可行性和实用性。

说起来，电解海水制氢的也已经有几十年的历史了。

这其中，不乏顶尖科学家、实验室、科研机构参与研究。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。

通过大量学者的努力，研究出了多种路线，主要的技术有碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、固态氧化物电解水制氢和固态聚合物阴离子交换膜电解水制氢等。

不仅如此，人类还试图将这些技术推向室外，策划电解海水制氢示范项目。

在国外，2019年有一批电解海水制氢项目出现。德国、英国、荷兰、日本等国家都先后提出了用海水制氢的计划。

国外海水淡化制氢项目

图源：万晶晶、张军、王友转等，海水制氢技术发展现状与展望[J].世界科技研究与发展，2022，2（44）：172-184

相比于国外，我国海水制氢项目发展相对较晚。2020年6月，我国第一个海上风电制氢项目青岛启动。之后，在福建、广东等省份陆续有了海水制氢示范项目落地。

可是，电解海水制氢技术目前在全球来看都还处于试验阶段。现有的实验也都是将海水淡化后电解制氢。海上风电制氢产业也没有迎来更大的发展。这主要是因为电解海水制氢技术难度很大。

海水中含有大量的离子、微生物和颗粒等杂质，会导致电解制取氢气时产生副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞等问题。

在研究中除了以海水直接制氢一种方式之外，有的学者也提出海水间接制氢。

海水间接制氢也就是将海水先淡化形成高纯度水，然后再电解制氢。

将海水淡化理论上可行，可是对于大型风电场而言，淡化海水需要消耗太多能量，而且海水淡化的设备也会增加风电场的建设和运维的成本。

直接电解海水制氢又无法破解电解系统中电极/催化剂老化、耐久性差等问题。

因此，虽然20世纪70年代初就已经有科学家提出海水直接电解制氢的概念，半个世纪过去了，国内外知名研究团队也进行了大量探索研究，一直未有突破性进展。规模化高效稳定的海水直接电解制氢原理与技术更是世界空白。

既然这么难，人类为什么还前仆后继的研究海水电解制氢呢？

为应对气候压力，全球能源转型的浪潮一浪高过一浪。海洋可再生能源因其不占用土地空间、资源分布广泛、开发潜力大、可持续利用、绿色清洁等优势，成为全球能源发展的重要组成部分。

我国拥有超过1.8×104km的大陆海岸线，可利用海域面积超过3×106km2，离海岸5~50m、70m高度的海上风电可开发资源量约为5×108kW/年；70m以上实际可开发资源量更多。

海上风速高，风机单机容量大，年运行小时数最高可达4000h以上，并且海上风电效率较陆上风电年发电量多出20%~40%，具有更高的能源效益。海上风能资源还具有运行效率高、输电距离短、就地消纳方便、适宜大规模开发等特点。

而且发展海上风电，还可以缓解我国风、光资源“西富东贫、北多南少”的问题，为占全国负荷需求70%以上的中东部提供电力支撑。

因此，海上风电大规模开发，能够减轻“西电东送”通道建设压力。

在海上建设风电场还可以远离陆地，不受城市规划影响，也不必担心噪音、电磁波等对居民的影响。

在此前提下，大规模发展海上风电成为加速能源转型的战略选择。

根据各省规划，到2035年，我国海上风电装机将达到1.3×108kW左右。

随着国际、国内风电规划建设加码，海上风电像太阳能一样近年来迅速发展。海上风电总体呈现“由小及大、由近及远、由浅入深”的发展趋势，单机额定容量逐步增大，海上风电机组也已经进入20MW时代。

风电场规模越来越大，单体规模超过百万、千万千瓦；风场离岸距离和水深不断增加，超过100km和100m，深远海化趋势明显。

这些位于大海里的可再生电力如何送到负荷中心？现在，普遍是使用海缆将电力传送回陆地。

当风电驶向了深远海，电能输送对海缆制造技术难度进一步增加，一方面对长度要求提高，另一方面由于长距离电容效应损耗加大，对电压等级要求提高。

当风电场装机容量500~1000MW、离岸距离50~100km时，海缆损耗为1%~5%。对于海上高压直流输电系统，考虑到不同的风电场容量和离岸距离，海缆损耗为2%~4%。相比之下，海上输气管道的传输损耗低于0.1%。

而且，海上风电和陆上风电有着同样的缺陷：不稳定。以袁慧玲教授2012年对中国的南海风力资源的考察为例，海上风资源在不同时间尺度上波动性很大，风力大小主要取决于大气环流。

2012年中国南海的小时容量系数的时间序列图，图源：南京大学大气科学学院官网

还有一个情况就是，风电场规模越大这种波动性越大。为了平抑这种波动性，配备相应的储能系统就显得非常必要了。

无论是平抑风电的波动性还是考虑成本和电能损耗等方面的因素，直接将风电电解海水制成氢气将电能储存在氢气里都是更好的选择。

可是一直以来，风电规模化直接电解海水都是很大的挑战，这也从某种程度上制约了海上风电向深远海的发展。

现在，“东福一号”海试成功正破解了这一困扰直接电解海水制氢气半个世纪的难题，为海上风电储能提供了新的技术路线。

谢和平团队论文评审专家认为，“很少有论文能够令人信服地从海水中实现规模化稳定制氢，但该论文的工作恰恰做到了这一点。他们完美地解决了有害腐蚀性这一长期困扰海水制氢领域的难题，将打开低成本燃料生产的大门，有望推动变革走向更可持续的世界。”

该成果有望开辟集“海上风电等可再生能源利用-海水资源利用-氢能生产”为一体的全新海洋绿氢工业体系。