福建：“海水直接制氢”，开启蓝色能源宝库

       东南网-《福建日报》8月24日报道

       核心提示

       福建福清兴化湾海上风电场，波光粼粼的海面在夕阳的余晖照射下，闪耀着金子般光芒，宛如取之不尽的“金矿”……今年6月，就在这片海，由深圳大学／四川大学谢和平院士团队与中国东方电气集团有限公司联合开展的全球首次海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术中试，获得成功。

       海水无淡化原位直接电解制氢技术成果由中国工程院谢和平院士团队于2022年11月30日在《Nature》正刊发表，今年3月，该成果被科技部评为2022年中国科学十大进展之一。

       2022年12月16日，东方电气集团与深圳大学／四川大学谢和平院士团队签署协议，正式揭开该项技术联合创新和产业化发展的序幕，由东方电气集团负责成果转化和产业化，并由福建省政府、福州市政府和东方电气集团联合共建的东方电气（福建）创新研究院有限公司负责具体实施。这意味着，这项革命性科技成果正式落地福建。

       业界认为，此次海上中试成功，不仅破解了“海水直接电解制氢”的世纪性难题，开启无需纯水的制氢新时代，更是打开了低成本绿氢生产的大门，向世界展示零碳能源的中国方案！海洋被称为“蓝色的能源”，是巨大的能源宝库。业界同时认为，此次海上中试成功，将开启蓝色能源宝库。那么，这项技术到底是什么？为什么会落户福建？从原理突破到中试再到实现工业上的大规模应用，还需解决哪些问题？本次技术突破对于氢能行业有何意义？

       勇闯技术“无人区”

       东方电气（福建）创新研究院有限公司（简称“东福研究院”）坐落于福州高新区莉园洲路上，崭新的大楼格外显眼。它是福建引进落地的重大科技创新平台基地，去年8月30日在福州注册成立。

       “我们公司注册成立一个多月后，就有幸对接谢院士团队的技术成果。”中国东方电气集团有限公司中央研究院副院长，东方电气（福建）创新研究院有限公司执行董事、总经理刘泰生兴奋地对记者说。

       事实上，东福研究院并不是第一家被推荐与谢院士团队合作的伙伴，之前，已有几家名声、实力、规模都远胜于它的企业被征询过合作意愿。

       “很幸运，我们能够理解谢院士所提出的原理并认同其技术实现产业化途径。”刘泰生说。当时他带领院里三位博士前往四川大学的谢和平院士团队实验室，听取技术介绍和交流后，力主和谢院士团队达成合作。

       众所周知，氢能是最具发展潜力的清洁能源之一。

       当前，主流的制氢技术包括化石燃料制氢技术（煤制氢技术、天然气制氢）和电解水制氢技术。其中，化石燃料制氢会产生大量二氧化碳，在单位质量产氢量、碳排放指标方面不具优势。电解水制氢的“绿氢”技术是氢能发展的必然趋势。谢和平院士预计，到2050年，电解水制氢占比有望提升至70％。

       但目前传统的电解水制氢高度依赖纯水，在我国淡水资源相对匮乏的时代，制氢用水从何而来？

       谢和平院士认为，海水占地球总水资源量的97．5％，向大海要水制氢是未来理想、可持续发展的方向。

       电解海水制取氢有两种路径，一种是先淡化海水再制氢，另一种是海水直接电解制氢，即把电解槽泡在海水里直接制氢。但海水淡化至纯水再电解制氢，设备成本及运维成本较高，工艺流程复杂且占用大量土地资源。

       20世纪70年代初，便有科学家提出海水直接电解制氢的设想。国内外研究团队围绕催化剂工程、膜材料科学等进行了大量研究，但海水元素成分复杂，制氢时会导致催化剂失活、电极腐蚀、隔膜堵塞等问题，半个世纪以来，始终未有突破性的成果。

       “能不能尝试不通过催化剂，采用物理力学的办法，把海水的水汽抽取过来，把其他物质隔离开？”这个大胆的想法在谢和平院士脑中盘旋。

       谢和平院士长期从事能源矿业多种新领域研究，当时，他在另一项目中探讨失败原因时获得灵感：是否可以通过“膜”透气不透水的机理来隔绝海水中的杂质离子？

       经过持续奋战，谢院士研发团队着手研制了一套400L／h海水原位直接电解制氢技术设备，采用的是物理力学与电化学相结合的全新思路，开创了海水无淡化无额外耗能的原位直接电解制氢全新原理与技术。

       其基本思路是：利用海水与电解液的界面压力差，使电解液吸收掉海水中透过来的水蒸气，隔膜只允许气体通过，实现海水中杂质组分的完全分离，这种隔膜的孔径在0．1～100微米之间，被称为水汽传质层。

       这一思路非常巧妙！刘泰生感叹。“电解水制氢领域，市场主流技术是碱性电解水制氢，其电解液是30％浓度的氢氧化钾溶液，而海水是3％盐浓度的溶液，由于浓度差，海水中的水会自然向碱性电解液流动，这是一个自驱动的过程。”

       “只要设置一个很特殊的膜，只让水分子通过，不让其他离子通过，就可实现向碱性电解液补水的效果。这就是其原理与优势所在，与传统利用反渗透膜进行海水淡化的原理不一样。”刘泰生说，这是真正意义上实现了海水当作纯净水来用，相当于电解纯水，从而制取出氢气。它突破传统思维的新路径，彰显了多学科综合和学科交叉对创新的促进推动作用。

       “那次我带去谢院士实验室的有研究材料，也有研究动力工程的博士，是个多学科交融的一个团队。听完介绍，我们认为理解这项技术，所以积极表达合作的意愿。”刘泰生回忆。

       刘泰生是国家万人计划科技创新领军人才，在东方电气担任过多个重大项目技术负责人，他先后从事清洁燃烧、节能环保、第四代核电钠冷快堆、碳中和、储能等先进技术和高端装备的研发、设计和产业化业务。对知识业务的敏感，让他意识到这项技术将是颠覆性的。

       近50年来，海水直接电解制氢的进展还不足以达到走出实验室的地步，仅能够在实验室里持续100～200个小时，而这套海水原位直接电解制氢装备在试验室海水槽连续运行超3200小时，令人信服地直接从海水中实现了稳定制氢过程。

       去年11月，这项研究成果被发表在《Nature》正刊。国际专家评价，这项研究成果完美地解决了有害腐蚀性这一长期困扰海水制氢领域的问题。

       去年12月，东方电气集团、东福研究院与谢院士团队签署协议，把这项技术引进福州，共有该技术的知识产权，并承担中试、示范和产业化任务。“作为福建企业，我们抓住机遇，把项目‘抢’过来了，希望这项前沿成果尽快走出实验室，变现成为市场产品。”刘泰生说。

       绿电制氢成果落地福建

       有了创新成果后，成果的落地应用也在紧锣密鼓推进中。

       今年春节期间，研发团队的脚步不停不歇，为项目启动做紧张的准备，希望尽快建成一个海上风电直接耦合海水电解制氢的中试示范。

       “研发团队成员近40人，包含院士1人、国家万人计划科技创新领军人才1人，硕士以上占比超过80％。”刘泰生说，去年底，东福研究院迅速抽调具有重大项目研发经验的技术、管理人员组建研发团队，并柔性引进谢和平院士海水制氢团队成员，聘请谢和平院士担任东福研究院首席科学顾问和海水制氢首席科学家。

       今年3月初，研发团队完成了可搭载海水无淡化原位直接电解制氢中试样机的全球首套可再生能源漂浮式海上制氢平台“东福一号”的设计及制造，3月13日，该浮体在漳州下水。

       福清兴化湾，我国海上风能资源最丰富的地区之一。

       3月17日，“东福一号”试验平台运抵兴化湾北岸的福建三峡海上风电国际产业园东方风电福建厂区，开启下海前的陆上试验平台系统联调，之后顺利完成两次陆上预试验。

       接着，“东福一号”被连夜吊装运至海边，并通过拖轮拖带平稳驶向海上风场既定海域，利用锚艇锚固于由东方电气供货的三峡集团兴化湾10MW海上风机一侧。

       5月14日至20日，将控制系统与UPS模块等智慧能源转换系统设施吊装至海上风机承台，完成海上电缆及浮筒铺设，并运用辅助供电系统连接，开启真实海洋环境下制氢测试。

       5月21日晚，完成智慧能源转换系统安装调试，通过电缆传输实现“东福一号”与海上风机对接，试验平台制氢系统与海上风电可再生能源系统顺利耦合，正式开始了绿电制氢。

       谈及海上中试的过程，刘泰生坦言，尽管团队前期在实验室中已经做了充分的测试，但到了海上，温度天气、海风海浪、潮汐洋流等不确定因素都会时刻影响着实验效果。比如，怎样将海上风力发电机输出的大幅波动的交流电，转化为稳定不间断供应电解槽的直流电？怎样克服风浪造成的浮体晃动对电解槽安全稳定运行的影响？这些问题都促使团队在实践过程中不断攻坚克难，持续提升。

       对“东福一号”海上电缆的固定，海试项目核心成员周子健记忆犹新。“随着潮涨潮落，电缆时而拉直甚至快要绷断，时而过松甚至快要漂走，怎样将电缆固定住，又不损伤电缆？我们团队集思广益，设计并测试了多种方案，最终用半固定式浮筒的方式把电缆固定住，还配有自动转折、自收放等综合装置，有效解决海上漂浮式浮体供电的电缆问题。”

       刘泰生说：“团队在‘东福一号’上集成了原位制氢、智慧能源转换管理、安全检测控制、自动装卸升降等系统，从而确保利用海上风电高效稳定地制取绿氢。”

       在经受了8级大风、海上巨浪、暴雨等恶劣海洋环境的考验后，“东福一号”连续稳定制氢运行了超过240小时。6月2日，经中国工程院院士专家组现场考察后确认，此次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，研发团队实现了从独创性原理、颠覆性技术、国产化装备到特色电解制氢工业模式的中国科技自立自强发展路径。

       谢和平院士告诉记者：“这是我们迈向全球海水直接电解制氢新时代三步走策略当中的第一步，也是关键一步。真正耦合了海上可再生能源，并在海洋真实、复杂的环境中实现了无需淡化的海水直接电解制氢。”接下来，将全力攻关第二代抗海洋环境干扰的海水直接电解制氢核心技术，迭代发展更高效、更高兼容性、更高稳定性的第二代核心技术及装备。

       从去年12月东福研究院引进此项目到海上中试成功，仅用了半年时间。“这次试验得到中国工程院、福建省、福州市和福清市政府的大力支持，三峡集团等兄弟企业帮助我们解决不少现场的问题。”刘泰生介绍，本次海试的关键设备——“东福一号”和10MW海上风电机组等均为福建制造，东方电气风电（福建）有限公司提供产业支持及加工、改造、吊装、维护、检修等辅助业务。

       刘泰生透露，团队正在开展第二代技术的示范工作。第二代技术示范的规模将达到每小时100标方产氢量，一旦成功，就意味着可以正式进入产业化阶段。

       打开低成本的大门

       技术的发展优势让全球各国对该技术的未来产生了好奇和期待，而在这样的情况下，一切都在发生翻天覆地的变化。

       事实上，风力发电在海洋中也有广泛的应用，但之前还没有直接实现利用风电场电解海水制氢的技术。而比起技术的创新突破，把海水变成氢能的“低成本”更令人振奋。

       “从目前看，如果企业本身既是发电企业，又是制氢企业，自己建海上风电、制氢，采用‘电氢联产、以电育氢、以氢消电’模式，不考虑资源出让成本、税费等因素，每立方米制氢成本是3毛多；并且风氢联营整体收益可观，还可以实现以接近或低于化石能源制氢的价格供应绿氢。”刘泰生介绍，未来风电、光伏制氢综合成本达到每公斤氢气10元是完全可以实现的。

       在谢和平院士看来，通过将取之不尽的海水资源直接制氢，并结合海上风电技术，将改变未来全球的能源开发路径。业内人士认为，该技术的推广应用将开辟“海上风电等可再生能源利用－海水资源利用－氢能生产”一体化的全新海洋绿氢工业体系，可望形成无淡化、无额外催化剂、无海水输运、无污染处理的原位海水直接电解制氢全新模式。

       更值得期待的是，除了海水，此项目的原理和技术还可应用于各类工业废水、城市生活污水等非淡水直接电解制氢。“应用范围广泛，市场空间巨大，预计可带动数百亿元级氢能产业链。”刘泰生说。

       “海水直接制氢”计划从学术期刊上的文字变为现实，只花了半年时间，但产业化之路将难免遇到诸多难题。比如，试验中用到的膜是一个前沿领域，还有不少问题需解决，包括表面改性、改进抗拉伸、抗冲击、抗疲劳以及抗腐蚀性能，还有抗海洋生物附着能力等问题，有的在实验室发现不了，需要在真实海洋场景里才会逐渐暴露，所以，要实现工业上的大规模应用，还有很长的路要走。

       氢能作为“电能替代”的一种，它的应用范围很广，是未来能源转型的重要支柱产业。几年前谈氢需求，一直围绕着氢燃料电池车方面的应用，实际上，氢能在化工和冶金等领域有更多用量、更大需求。第二个领域是储能。短期储能方面有锂电池，长期储能包括抽水蓄能、储氢。随着可再生能源制氢价格的降低，储氢行业竞争力会越来越强，市场需求量会越来越大。第三个领域是碳中和。

       随着国内可再生能源装机容量的大幅提升，制绿氢的成本将极大下降，氢能在未来产业领域里运用会越来越广泛，使得对氢需求呈现爆炸式增长。“氢能产业已经出现了拐点。”刘泰生认为，在整个氢能产业链上，也出现了很多新技术。第一，固态储氢使得储运成本进一步下降。第二，在管道输运方面，氢与天然气混合输运，将使得氢的输运与使用更经济。第三，把氢和氮气结合起来生成氨，输运后再分解为氢和氮。

       谈到这次试验成功，刘泰生表示：“这项技术成果非常适合在福建落地。”他认为，福建省以海上风电和核电为代表的零碳能源丰富，具有发展绿氢产业得天独厚的优势。而且，福建具有良好的氢能资源禀赋，以雪人股份、厦大、福大、嘉庚创新实验室等为代表的本土企业和教育科研机构掌握着氢能与燃料电池的关键核心技术，氢能产业链初步成型。比如，嘉庚创新实验室研制了1000标方碱性制氢电解槽，在国内是最先进之一，雪人股份具有国内领先的氢燃料电池技术，福大紫金做“氨氢”转化，这也是国内独一号。从制氢、用氢到氢转化，福建都有了，接下去要思考怎么把它串成线形成一个面。作为福建企业，东福研究院将积极参与、打造多能互补的绿氢新兴战略产业。

       “随着绿氢产业发展，将助绿色转型，补福建大型装备缺失的短板。”刘泰生认为，东方电气集团为我国提供了大约三分之一的能源装备，是全球最大的能源装备制造企业集团之一，可以发挥技术优势，共推福建海洋相关的重大装备产业发展。（记者 李珂）