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近年来，由于受全球原油价格、国际社会关系及战争影响，石油的价格一直居高不下，涨幅更是高得吓人。作为21世纪最金贵的工业血液，这关系到人们生活成本的方方面面。 可如果有人告诉你，石油价格很有可能迎来一波大跌，还会降到白菜价水平，你会否觉得这是一个天方夜谭呢？  当然，石油的大降价跟它本身无多大关系，而是因为出现了或许能够将其直接替代的、更为廉价且方便的替代品——氢能源。 自从中国实现海水直接制氢的突破后，氢能源的成本甚至能够低到0.4元/立方米！  氢气之于石油：更好、更强、更清洁的替代品氢气对石油最大的替代作用主要是在能源领域。 一方面是氢气燃烧后非常干净，不会产生二氧化碳等污染物，能助力各国的碳中和目标实现；另一方面则是因为氢能和石油一样，可以应用在航天航空、发电以及交通领域等等领域，比如说，汽车使用的氢能燃料电池、用来运载火箭的液态氢燃料……  然而这样的理想实现的前提是，氢能的制取能变得平价以及简单快捷。 巧的是，6月初在福建兴化湾海上风电场，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”的海上中试，大获成功。 名字略长，还拗口，却是海水电解制氢技术的在全球层面上的一大突破，破解了困扰整个世界近半个世纪的难题。  此次海试的理论支持来源于谢和平团队2022年11月30日在《Nature》（自然）国际权威学术杂志发表的海水直接电解制氢技术成果，这项成果还被评为了“2022年中国科学十大进展”之一。  这次海试进行的福清兴化湾风电场是全球首个大功率海上风电样机试验风场，在试验持续的十天内，兴化湾里迎来了8级大风、1米高海浪以及强降暴雨等极端恶劣的环境。是巧合，也是饱经考验。而这批电解制氢设备经受住了考验，在十天内保持了完整的、连续的240小时以上的稳定运行，最重要的是，制出的氢浓度高达99.9%至99.99%。  在忽略掉税费、财务等成本的情况下，寿命25年、每年可以使用4000个小时、发电10万度的海上风电设备价格是每千瓦时5000元人民币，就算加上运营及维护成本，每度电的成本也才6分钱左右。 在此基础上，如果企业和东方电气一样，既是发电企业又是制氢企业的话，制出一立方米的氢仅仅需要3毛多不到4毛人民币，而1公斤成本更是仅需4元。  只要技术被攻克，成本能下降，那需求量就不会少，毕竟现在全球市场上对氢能的需要都是巨大的，尤其是在这各国都在宣扬“碳达峰”“碳中和”等绿色发展理念的当口。一旦低成本绿氢技术得到商业化运用，那世界范围内的能源变革就即将展开。  海水“直接”电解制氢，突破巨大其实说起来，海水电解制氢其实是个由来已久的“老技术”了。地球这颗蓝色星球有71%的表面被海洋所覆盖，而海洋是地球上最大的氢矿，能源学家们又怎么会不对这些海洋矿藏打主意呢？ 海水制氢技术最早的提出是由丹麦风力技术集团Vestas与法国能源巨头公司合作开始的。 但不幸的是，由于技术不够成熟、企划也不够周全，再加上海水制氢的成本花费太高，这个项目没搞上几年就破产了，还连带着把丹麦风力集团给拖垮了。  随后，含德国、荷兰在内的多个欧洲国家接过了丹麦的“接力棒”，也开始了海上风电制氢的计划。其实，制氢技术不难，难的是如何降低成本来实现大规模地、商业化地制氢，而不是局限于少量的工业制氢。  总的来说，海水制氢有两种途径：间接制氢和直接制氢。 其中间接制氢是被采用得最多也最常见的一种。因为海水是一种非常复杂的多组分水溶液，包含90多种化学元素及大量微生物和悬浮颗粒，它们都以物理形式而存在着。可也正是因为这90多种化学元素和杂质，会导致在制备氢气的时候出现副反应竞争、催化剂失活、隔膜堵塞电解效率低等等技术问题。  要解决这一系列问题，不仅要结合上海水淡化技术、电解、光解、热解等水解制氢技术，还需要一整套大规模的昂贵淡化设备，以及无价的、被征用的土地资源。 间接制氢就意味着必须要淡化海水，这耗费的人力、物力以及成本实在高昂，也是制约着海水制氢技术无法从工业化转向大量商业化运营的原因，也促使着世界各国都在努力寻求更简便、低廉的海水直接制氢技术的原因。 而直接制氢主要分为光解水制氢或电解水制氢两种方式。光解水制氢的本质原来是利用太阳能全光谱光催化产生光电效应，再与水发生氧化还原反应，产生氧气和氢气。然而这种技术的催化效率不算高，在实际中很难应用。 我国的海上风电无淡化海水原位直接电解制氢技术，是通过蒸汽压差的物理力学，把海水中的90多种复杂元素及微生物全部用浓氢氧化钾溶液和一种可以防水但又比较透气的膜隔开来。 最核心的部分就是整个装置的左右两侧都是海水，海水会通过隔膜进行过滤，但只有纯水才能进入到中间的电解槽中进行下一步，这样一来，复杂元素对电解水制氢的影响也几乎被降到没有。 也就是说这个技术跳脱出了传统的、单一的化学范畴，另辟蹊径，主打的是物理力学和电化学相结合的思路。 既然把电解水制氢就是离不开淡水和纯水，而海水淡化是费时又费力，那就干脆直接在海水里进行原位电解制氢，没有淡化过程、无副反应，也就无额外能耗。 而且，这个理论并不是纸上谈兵的泛泛之言，研究团队是研制出了一套也是全球首套的400升/小时海水原位直接电解制氢技术与装备，在深圳湾进行长达3200小时的稳定运行。结果喜人：无腐蚀、无海水渗透。 再加上在兴化湾风电场的海试成功，已经足够说明，构建与海上可再生能源相结合的一体化原位海水制氢工厂，就地使用天然海水直接电解产氢，大规模开发风电资源在未来已经不再是难题了。 一路通，路路通更重要的是，根据研究团队的论文数据，海水原位直接电解制氢技术原理是通用的，可以推广到河水、生活废水、苦咸水、盐湖水等等非淡水的环境下，只要废水、污水的水摩尔浓度高于碱性电解质的水摩尔浓度。尤其是在西北等电价便宜、但电力略冗余的地区，可以在电力上为制氢企业提供非常大的支持。 当然，下大力气在制氢上，必然会有读者产生疑问：电解氢，然后又用氢来发电？用氢来发的电不会比产氢耗的电量多，而产生电又需要消耗能源，搁这儿没事闹着玩呢？ 这还真不是闹着玩。首先，大力发展氢能的直接原因是为了储存能源，根本原因是为了调整能源结构转型。从供给、安全以及环保上，转向清洁的、低碳的、高效以及安全的能源。而氢能，还是那句话，地球70%多都是海水，那就是一个巨大的“氢矿”，守着它不用起来是要干嘛呢？ 我国当前储能分为两种，短期的是锂电池，长期的是抽水储能。而事实上，长期储能中除了抽水以外，更被看好也更便利的是储氢。并且随着我国电力系统不断完善，需求越来越多，对氢能的需求也是越来越大。 其次则是，氢能不仅仅是要用来发电而已。氢气可以促进煤焦油已一种更为简便的技术转化为更高质量的汽油或者石脑油；油田采油后产生的废水可以在利用来制氢后转化合成氨，要知道氨的用途可广了去了，制冷剂、肥料、食物……；甚至氢气还可以用来炼出更高品质的钢来…… 在许多我们熟知或者不知的行业，氢都在发挥着必不可少的作用。或者更直接点说，以前我们对氢的作用知之甚少是因为它没法被大规模使用，但一旦实现规模量化，那它的作用和需求只会增多不少。 最后则是一个“别人有我们也得有”的原则。不是为了攀比，而是为了不被要挟和孤立。氢能源的好处，全球皆知，动心思下力气的自然也不只我国一个。 当前，荷兰、德国、丹麦、挪威、瑞典、英国……都有着自己的海上风电制氢项目，也都一直力图实现成本更低的直接电解制氢。当然，他们中的许多不仅没实现低成本，还搞得成本越发不可收拾，到最后被冲出来的“黑马”中国亮瞎了眼。 海上风电无淡化海水电解氢技术在《自然》上发表时，论文评审专家曾表示：“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。” 另外，氢能还有一个加氢提炼轻油的作用。 拿委内瑞拉为例，对于这个世界上储油量第一，但由于石油浓稠且没有全套工业能力进行稀释加热和开采的国家而言，海水直接制氢的工业级应用一旦实现，我国再与委内瑞拉达成一个战略性合作，就能帮助他们实现低成本重油加氢，达成两国资源与技术良好循环的局面了。 这样一来，无论是出于替代品原因、还是石油本身储量原因，或许在未来油价降到白菜价也不是一味地天方夜谭了…… 参考资料： 1、魏晓天、袁昊骞、刘东：电解海水制氢的机遇与挑战，当代化工研究. 2023(07) |
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