海上不止有风电,还能制氢!谢和平院士提出“风氢联营”

能源双碳场 2024-08-12 18:42:40

被视为“海上风电大年”的当下,项目开工、建设、并网节奏明显加快,行业对海上资源的关注度只增不减。

向大海要资源,不只是用于发电,还可以制氢。能联社近期与几位业内人士交流时了解到,这一思路正在得到拓展。海水资源非常丰富,若能“物尽其用”,通过海水电解制氢,不但能将全球取之不尽的自然资源转变为绿色能源,同时还伴随着诸多优势。

比如,绿氢虽已得到广泛认可,但按照现有技术路线,其制取需要消耗大量淡水。有测算显示,以2060年我国1.3亿吨氢气需求来估算,制氢相应要消耗大约23亿吨淡水。这一体量,约等于深圳2000多万人口全年用水总需求,可以说相当巨大。淡水作为稀缺资源,一旦需要大规模利用,难免出现短缺问题。而且就已有规划来看,很多绿氢项目恰恰位于缺水地区。同样都是绿氢,若能用海水替代淡水进行制备,既可以弥补上述不足,还能在一定程度上减缓气候变化带来的海平面上升等问题。

从技术上看,海水制氢目前存在两大主要方向:一是海水先淡化或预处理,再实施电解水制氢;二是用海水直接电解制氢。能联社了解到,前者相对成熟,在欧洲已有不少应用,近两年我国也有在建的示范项目。但该路线的劣势同样突出,除了增加能耗,淡化或预处理环节及其设备、系统,还会带来工程难度、运维费用等增加,从而推高制氢、用氢成本。相比之下,海水直接电解制氢,有望节省多项支出。

思路虽好,实现却不易。据能联社所知,近半个世纪以来,迟迟未有切实可行的海水直接电解制氢技术路线。其主要难点在于,海洋是地球上最大的连续矿体,除了人工合成的元素,它几乎拥有自然界所有元素,海水成分十分复杂。而在制氢反应过程中,这些元素均有可能导致催化剂腐蚀毒化、电解系统失效等现实问题。例如,钙、镁等离子容易在电解反应过程中形成沉淀物,像血栓一样堵塞在制氢系统的关键位点,进而失效。甚至在不同地区、不同时段、不同位置,海水所含成分差异巨大,对技术、设备、系统的兼容性提出了极高要求。出于种种挑战,低成本且不受海水复杂影响的制氢技术,在国内外一度都是空白。

在“绿电+绿氢”的热门领域,谁能率先突破?能联社获悉,中国工程院院士谢和平团队提出并独创,将物理力学与电化学反应相结合的相变迁移驱动的海水直接电解制氢全新原理和技术,在不额外增加能耗的情况下,将液态的水转变为气态,从而把水分子从海水中高效分离出来用于电解制氢,自主攻关形成了全球首套400L氢气每小时的原理样机,整体吊装在海水里实现3200小时稳定制氢过程。由此,从根本上解决了海水接电解制氢的技术难点。

以此为基础,谢和平院士团队与东方电气集团联合设计了海水直接制氢的漂浮式平台,并于去年5月在福建兴化湾打造全球首个海上风电直接制氢技术示范。截至目前,该项目验证了在海上直接和绿电对接做电解制氢的可行性,并在3-8级大风、0.3-0.9米海浪的干扰下,以和实验室类似的效果稳定运行了10天。在此过程中,首次实现海上风电与海水直接制氢的一体化技术体系,以及海上风电无淡化直接制氢抗海洋环境干扰的可行性。上述成果于近期发表在Nature Communications上。

海水直接制氢,相当于在海上发电厂里做危化品生产。海上风电与制氢相结合,还有助于破解新能源大规模并网消纳难、工程投资/电力输送成本高等问题。相比先淡化或者做预处理再制氢,直接对接海上风电,当后者上网电价为0.2-0.3元/度电时,绿氢生产成本约15.89-21.49元/kg H2,相较目前最常见的煤制氢9-12元/kg H2,以及天然气制氢20-24元/kg H2,经济性并不逊色。随着海上风电技术持续发展,上网电价降至0.1元甚至更低,海水直接制氢成本有望低于煤制氢。下一步,谢和平团队还计划打造100 Nm³/h氢气规模“制-储-用”全链工程示范,攻关第二代更高效、更高兼容性、更高稳定性的分体式海水直接电解制氢核心技术及装备,进而持续扩大制氢规模。

从产业化发展角度,谢和平院士团队和东方电气进一步提出“风氢联营、以电育氢、以氢消电、绿氢入化”系统运维体系构想。风氢联营,正是希望通过该项技术,让海水风电所发的电力部分用于上网、部分用于制氢,从而寻求整体利润为正,不依靠单纯的政府补贴,同时用海水制氢技术消纳海风弃电,发挥氢气储能作用,开拓深远海市场。

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