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海洋约占地球表面积的71%，海水是地球上最为广泛的资源之一。在能源需求日益增长的当下，海水能否成为可再生能源的重要来源？10月28日，记者采访中国科学院大连化物所催化基础国家重点实验室能源与环境小分子催化研究中心邓德会研究员时得到了肯定的答复。他所带领的团队研发出以海水为原料制备氢气联产淡水的新技术，并完成了25千瓦级装置的测试验证，有望为这条绿色能源开发之路提供新的解决思路。
开辟海水制氢新途径
据记者了解，地球现存的化石燃料资源有限，使用后还会排放大量的二氧化碳，给环境和人类健康造成一定威胁。而海水不仅可以利用其中的水分制氢，显著减少温室气体排放，而且海水中的盐分和有机物还可被利用，制氢过程所产生的废水也可以经过后续处理，减少对环境的负面影响。
“但海水直接制氢还面临诸多技术方面的挑战，主要原因是海水中富含大量的盐分，也就是氯化钠、氯化钙、氯化镁等。在电解水时，阳极部分会产生高浓度的氯离子、次氯酸根等强腐蚀性介质，导致电极腐蚀严重;而在阴极部分则会因为钙、镁等离子发生沉淀，使催化剂活性面积减少，进而降低反应速率。”邓德会介绍说，目前，上述技术难题还没有完全经济可行的解决方案，也导致了海水直接制氢技术难以大规模投入实际应用阶段。
为了解决这一问题，邓德会研究团队进行了大量的基础研究工作，创新了一条不同以往的海水制氢新路径。“我们绕开了海水直接制氢这条常规路径，而是将电解水与海水低温淡化技术进行了耦合创新，将电解水产生的废热作为海水低温制淡水的热源，再将海水低温制取的淡水引入电解水单元，从而研发出海水制氢联产淡水新技术。”邓德会介绍道。
实现能源资源循环利用
邓德会进一步解释道，这个系统集成技术有很多巧思。首先是对低品位废热的回收利用。传统碱性电解水制氢的电能利用率为65%~80%，未能利用的电能转化为废热排放至环境中，造成了能源的严重浪费。“这个废热之所以一直未被重视，主要原因是其温度一般在80℃左右，属于低品位废热，很难在工业场景中得到再利用。但我们海水低温制淡水所需的温度只需要50℃左右，正好能利用电解水产生的废热。”邓德会介绍说。于是，研究团队利用电解水产生的废热作为海水低温制淡水的热源，建立了废热回收系统，用于海水低温淡化。相比传统淡水电解制氢，该技术省去了废热移除所必需的换热器单元，以及与之配套的冷却介质，减少了设备成本与能耗。
其次是对海上风电的消纳。近年来，我国海上风电装机量持续大幅增加。截至2022年，我国海上风电累计装机容量已突破3000万千瓦，约占全球的54%。但近岸或离岸海上风电就地消纳问题日益凸显。“我们这个系统既解决了海上风电就地消纳问题，也解决了电解水制氢技术面临的淡水资源紧缺、海水成分复杂等问题。”邓德会解释道。
基于此，该技术将海上风电、电解水制氢、海水淡化等过程巧妙地耦合起来，实现了系统内部资源和能源的循环利用。
中试装置验证获成功
研究团队以海水为原料制备氢气联产淡水的新技术为依托，基于自主研发的铠甲催化剂整体式电极，研制出25千瓦级海水制氢联产淡水中试装置。
运行结果显示，以海水为原料可实现高效电解水制氢联产淡水，氢气产能可达3吨/年，氢气纯度超过99.999%，产生的淡水在满足自身电解需求的基础上，可额外联产淡水6吨/年，淡水电导率小于20μs/cm，盐度小于0.04ppt。同时，相比传统淡水电解制氢装置，该装置可将碱性电解水制氢系统的电能利用率提高10%以上。这些数据充分展示了海水制氢联产淡水新技术的可行性与先进性，有望为近岸或离岸海上风电规模化制氢提供具备核心竞争力的技术支撑。同时，由于该技术摆脱了对紧缺淡水资源的依赖，以成分复杂的非淡水为原料进行制氢，有望扩展应用到以内陆盐碱水、工业废水、火电厂废水、城市生活废水等作为原料的电解制氢领域。
谈及未来，邓德会表示，研究团队将与海上风电能源企业等展开合作，进一步推进该技术的落地实施，早日实现产业化，助力我国“双碳”目标的实现。
