谢和平
氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳发展的重要载体，是战略性新兴产业的重点发展方向，而制氢更是其可持续发展的基础。长期以来，制氢过程一直依赖于淡水资源，这给其规模化应用带来诸多限制和挑战。现有研究发现，在海水制氢技术上取得的突破为规模化制氢提供了新的路径。
一、海上可再生能源海水直接制氢的内涵和特点
在21世纪，重要的终端能源有三种：电、热、氢。其中，电占60%－70%，热占10%－20%，氢占20%。氢既可以作为储能载体，又可以作为直接原料，还可以作为燃料。事实上，煤制氢、天然气制氢得到的都不是绿氢，最终须通过绿电才能得到绿氢；随着技术的发展，灰氢、蓝氢最终都要变成绿氢；而纯水制氢得到的肯定是绿氢。因为受制于全球纯水资源总体短缺，海水制氢成为必然趋势。
海水不受边界和领土限制，是取之不尽的资源。然而，过去海水制氢都是淡化制氢。自海水制氢概念提出以后，研究者们几十年来都在攻关，虽然已经解决了很多问题，但是仍然有一大难点：海水里面元素成分复杂，极易导致催化剂失效等问题。所以，国内外许多团队都在致力于解决这个难题，这至今都是世界各国制氢领域的前沿热点问题。其中，海水制氢有两种典型方法：一是利用催化剂；二是通过电解破解或隔膜材料。但是这两种方法都无法彻底解决海水制氢所面临的难题。
二、海上可再生能源海水直接制氢的演变历程和发展
最初，我带着斯坦福大学的两个博士攻克上述难题，但久久未能得到满意结果。之后，我想能不能转变思路，从物理力学、化学扩散的角度，把海水中的复杂影响隔绝。所以，我们就开辟了新思路，利用物理力学的方式，利用海水和电解液的浓度差实现海水纯化，进而制氢。我们首先通过理论公式进行推导，发现理论上确实可行！理论推导出来后十分激动，立即着手开始做实验。直接打了三吨海水去做实验，在实验室中测试效果非常好——性能稳定，因为通过物理方式使海水淡化，历经3000多个小时，其性能没有丝毫下降，能耗和陆地上碱性电解水的能耗一样。我们团队将本成果发表在《自然》（Nature）杂志上，结果也非常顺利，Nature的副主编对我们团队取得的成果给予高度评价，表达高度赞赏。于是，基于该理论，盐湖水、废水、矿泉水都可以用来制氢，这就像打开了低成本的大门，使氢能源的应用成为可能。我们的成果被评为“中国科学十大进展”，影响力颇大。2022年中国有600多项成果参与这项评选，程序是先选出30项进行投票，其中，我们团队成果的得票率排在第三位，第一位是火星成果，第二位是月球成果，第三就是我们团队研究出的利用海水直接制氢的成果。
当时，我就想能否将成果尽快实现产业化。我很有信心，我们的方法不是利用催化剂、隔膜材料等小零件，因为这会使得放大过程充满不确定性，我们的成果是十分成熟的理论，马上能够付诸实践，进行产业化落地。我们先和东方电气集团对接产业化落地的合作，希望东方电气集团提供3000万元补贴，他们了解我们的理论成果和未来产业化展望后，表示高度的理解和支持，当场就决定投资。耗时仅不到半个月，我们就签订协议开始推进产业化，双方共享知识产权。同时，国外也很重视该项成果，英国石油公司（British Petroleum，BP）给我们许诺很多投资，认为我们的成果通过装备就能用，然而前提是需要我们提供原始资料和设计图纸。
后来，我认为还是应该将原创技术和知识产权掌握在我们自己手里，应该由中国人来做。我们应该率先开展中试，率先进行工程示范和产业化，促成我们想要尽快实现海试的梦想，在中国实现海试、中试、产业化的三个首次！可喜的是，我们团队于2023年5月底在福建清水湾海试成功。当时设计了一艘船，把三台制氢机直接放在海水里，对接海上风电，在大海里利用我们的装置直接制氢。该制氢平台长约7米宽约9米，里面包含了3个电解平台，可直接升降，可浸泡在海水里。我们设想通过风电方式，把交流电转直流电，直接就可以进行电解制氢，不需要再上网。在这样的条件下，我们的海试样机没有任何异常，没想到在经历海风及风浪影响的情况下，效果居然和实验室效果完全一样，在大海里面的能耗和实验室能耗一样，具有很强的稳定性。这更加增强了我们的信心！
与国内外其他团队相比，我们的技术现在仍然是热点。现在，国外还在研究催化剂、隔膜材料，我们却已经取得颠覆性创新。与他们不同的是，我们完全不需要催化剂和隔膜材料，包括目前在大海里面进行试验的，都是先淡化海水后电解制氢。当前，德国、日本、挪威都需利用几台设备，先淡化海水后电解制氢，这些都属于间接海水电解；在中国，我们的团队是直接在大海里面，不需要额外消耗其他资源。比如，德国的装置是先淡化海水再制氢，还要经过固废处理；但是我们的装置不需要，我们的原理颠覆了他们所有的理念——不需要淡化，不需要额外能耗，不需要输运。因此，我们的成本仅仅相当于陆地上纯水电解的成本，甚至在陆地上电解水都需要土地成本，我们连土地成本也不需要，只需要装备的折旧费和人工费。
以煤电标配CCUS（Carbon Capture, Utilization and Storage，二氧化碳捕集、封存及再利用技术）为例，国内是180－300元，国外是300－600元。如果通过“煤电+CCUS”，大概用5度电制1标方氢；现在实验室是第二代技术，只需要4.5度电制1标方氢，第三代只需要4.2度电制1标方氢。未来，要把能耗降下来，控制在电价0.15元的时候，和煤制灰氢比具备竞争性，如果电价降到小于0.11元，那我们的海水制绿氢比煤制灰氢都要便宜。设想未来我们打造的海水制氢的“新赛道”形成技术体系，采用漂浮式船体装上风机，把风机算作成本，制的电只需要用来制氢，那么电就不用花费了，因此，海水直接制氢的成本将低于0.8元/标方。
三、海上可再生能源海水直接制氢的未来和预测
未来，我们研究团队需要打造的“新赛道”是技术升级和装备升级。当下，第一代赛道成功了，还要打造第二代，探索第三代，要一直领跑海水制氢的新赛道，打造海水制氢的产业链。我们的计划是：打造“储－运－用”一体化新型氢能产业链，包括上海交大研发的固体储氢技术、四川大学研发的储氢技术、张清杰院士团队研发的“氢－氨混合”技术和转运体系，这些都正在进行中。此外，我们团队还正在做空气中二氧化碳捕集研究，如果在海上制的氢与二氧化碳相结合，就可以变成绿色甲醇。由此，氢的“产－储－运－用”技术路径形成闭环，将打造全新海上产业链。
根据步骤而言，第一步海上直接制氢的原理技术已经达成，也经过了海上中试验证。第二步就是进行规模化，马上做到100标升的氢气规模，然后进一步达到1000标升的更大商业化的电解槽。第三步是计划走产业化路径，现在有意向与我们合作的企业还是很多的。未来，我们有三个发展构想：第一个构想是继续攻关第二代技术、第三代技术，建立海上研发总部。因为通过这次海试发现，现实情况并不是我们想象的那么简单，虽然我们的原理、样机、装备在海水中试圆满完成。但是，按照海事局、海警局、气象局的相关规定，不允许轻易进入深海，只允许在海湾进行中试、示范。第二个构想是打造规模化海水制氢的模拟系统。第三个构想是希望可以使用一片海域，即未来有全球开发的用于海水制氢的海域，我们可以售卖平台和装置，提供漂浮式平台、动力式平台、固定式平台，等等。目前，福建省泉州市正在与我们协商产业化事宜，另外还包括与其他地方政府的合作等。期盼能够构建新型体制，联合丁文江院士团队、张清杰院士团队等，构建我国的“海洋绿氢”“产－储－运－用”一体化全新产业链。
（作者系深圳大学教授、中国工程院院士。本文根据作者在2023年新能源科学与交通电动化国际论坛上所做的演讲整理。）