海上风电无淡化海水原位

直接电解制氢原理技术装备海试成功

近日，由深圳大学/四川大学谢和平院士团队与东方电气集团联合打造的全球首个海上风电无淡化海水原位直接电解制氢原理技术装备在福建海试成功。本次开展的海上风电和海水无淡化直接制氢耦合技术的海上中试示范，连续稳定运行超过240小时。首次成功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，3-8级大风、0.3-0.9米海浪强干扰下的依托海上风电实施无淡化海水直接电解制氢的可靠性，构建了与再生能源相结合的一体化海水直接制氢氢工厂，有望打造全球海上可再生能源直接海水制氢领域标杆！

谢和平院士团队自2022年11月30日在Nature正刊发表海水制氢原创性成果后，破解了该领域近半个世纪的世界难题，被评为2022年中国科学十大进展。基于这一全新原理与技术，东方电气集团与谢和平院士团队专门研制了漂浮式海上制氢平台（9m×7m×3.5m）以及海上风电智慧稳定供电系统。自2023年5月17日至26日，于福清市兴化湾海域对接海上风电连续稳定运行10天，首次实现了海上风电无淡化海水直接电解制氢的海试成功。

由第三方技术检测机构（四川质检院）的检测数据表明：本次海试制氢规模达1.3 Nm3 H2/h，达到并超出设计值；电解能耗为5 kWh/Nm3 H2；在3-8级海风、0.3-0.9米浪高的真实海洋环境下连续稳定运行10天后海水杂质离子阻隔率仍然高达99.99%以上（与纯净水直接电解制氢效果相当），制氢纯度达到99.9% - 99.99%，稳定性良好。

本次海试的全新原理技术无需海水淡化过程的成本及工程投入、无需海水输运过程的成本及工程投入、无需淡化后海水污染处理过程的成本及工程投入。故本原理技术成本仅是海上风电上网电价（0.2-0.3元/度）×单位制氢过程能耗（5 KWh/Nm3），即11.2-16.8元/kg H2，略高于煤制灰氢成本（9-12元/kg H2），明显低于天然气制蓝氢成本（20-24元/kg H2）。随着未来海上风电技术的进一步发展和上网电价下降，海水直接制氢成本有望低于煤制灰氢成本。本次海试是基于三套原理样机（0.4 Nm3/套）并联建立的设计值为1.2Nm3/h制氢规模的装备系统，这次成功海试也可以作为未来实现并联式（10→100 Nm3/h）大规模海水直接制氢的直接验证。

“海上风电等可再生能源利用-海水氢能生产”漂浮式平台

可再生能源海水无淡化原位直接电解制氢平台

开创海水原位直接电解制氢全新路径

海洋是地球上最大的氢矿，向大海要水是未来氢能发展的重要方向！然而，海水成分非常复杂（包含92种化学元素），还含有大量微生物和悬浮颗粒，导致有害腐蚀性和毒性、催化剂失活、电解效率低等诸多技术瓶颈与挑战。

为此，以海水为原料制氢形成了海水直接制氢和间接制氢两种不同的技术路线。其中，海水间接制氢本质上是淡水制氢，目前已在国内外（德国、荷兰、挪威、日本、英国、大连等）开展规模化示范工程项目，如荷兰PosHYdon海上绿氢试点项目、西门子歌美飒Brand Hydrogen风电制氢试点项目、德国Tractebel Overdick海上风电制氢平台项目等；2020年以来，我国也先后开展海水间接制氢项目，如大连洁净能源集团海水制氢产业一体化示范项目、明阳海洋能源立体化创新开发示范项目等。但该类技术严重依赖大规模淡化设备，工艺流程复杂且占用大量土地资源，进一步推高了制氢成本与工程建设难度。

自1970年代初Williams提出海水直接电解制氢的概念以来，美国斯坦福大学、法国国家科学研究中心、澳大利亚阿德莱德大学、中国科学院等国内外知名研究团队围绕催化剂工程、膜材料科学等进行了大量探索研究。但是迄今为止的半个世纪以来，仍然未有突破性的理论与原理彻底避免海水复杂组分对电解制氢体系的影响，成为了近半世纪世界性难题。

针对前述挑战，谢和平院士团队通过将分子扩散、界面相平衡等物理力学过程与电化学反应结合，开创了海水原位直接电解制氢全新原理与技术，建立了气液界面相变自迁移自驱动的海水直接电解制氢理论方法，形成了界面压力差海水自发相变传质的力学驱动机制，实现了无额外能耗的电化学反应协同海水迁移的动态自调节稳定海水直接电解制氢，彻底隔绝所有海水离子的同时实现了无淡化过程、无副反应、无额外能耗的规模化高效海水原位直接电解制氢，全面解决了多年困扰科技界和产业界的难题，完美破解了海水电解制氢领域的半世纪难题，实现了把取之不尽的海水当纯水一样直接用于电解制氢。

该原理技术的发展将完全颠覆现有消耗纯净水电解制氢模式，迎来海水电解制氢 2.0 时代。正如Nature副主编Yohan Dall’Agnese高度评价：“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，但该成果恰恰做到了这一点。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问题，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。”

谢和平院士团队打造全球首个海上风电海水无淡化原位直接电解制氢示范工程

2022年12月16日，《Nature》论文发表后的仅仅16天，东方电气便专项投入3000万元研发经费，并与谢和平院士团队联盟合作，共同推进海水无淡化原位直接电解制氢产业化推广应用。

本次东方电气与谢和平院士团队在福建省福清县开展的1.2 Nm3 H2/h 的海水无淡化原位直接电解制氢海上示范，利用东方电气兴化湾58号10MW大型风力发电机供能，配备28kW输出功率的储能系统，实现了长达10天的稳定制氢，法拉第效率近乎100%，能耗、实验效果与实验室环境下的制氢效果相当。同时，联合攻关团队还利用本次海试机会，开展了真实海洋复杂环境下的海水直接制氢综合性能测评，分析对比了与验室制氢效果的关键差异，探索了海上可再生能源电力驱动下对电解制氢与相变迁移过程稳态平衡的影响，以及对电解设备核心材料及部件综合性能的影响，获取了宝贵的示范验证数据，为《Nature》顶刊发表的前沿成果尽快“走出实验室，走向产业化”探索了一条全新路径。

海水无淡化原位直接电解制氢现场测试

谢和平院士指出：“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。我们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，第二步我们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，始终保持无淡化海水直接制氢的原理与技术领先优势，引领全球非纯水电解制氢新模式。第三步与东方电气一起共同面向全球企业建立产业化联盟来全面推进产业化，同时我们团队将探索攻关第三代和第四代更规模化、更智能化的核心技术及装备，引领海上风电等可再生能源与海水直接电解制氢一体化全新工业模式造福人类。”

此次海试成功充分标志着海水无淡化原位直接电解制氢在产业化进程上跨出了一大步，意味着正式迈入了海水直接电解制氢新时代！该技术的推广应用将真正开辟集“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，可望形成无淡化、无额外催化剂工程、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，真正意义上将取之不尽的“海水资源”转化为“海水能源”！同时未来可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，成为近深远海可再生电力大规模开发的破局关键，加速推进形成多能互补的中国原创“海洋绿氢”全球新兴战略产业！并助力我国形成从独创性原理、颠覆性技术、国产化装备到特色电解制氢工业模式的全链条式零碳氢能发展路径，提供碳中和路径下的零碳能源中国方案、中国智慧、中国标准。