近日，全球首臺套兆瓦級電解海水制氫撬裝裝置在珠海試運(yùn)行成功。該裝置由中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司（以下簡稱“海油發(fā)展清潔能源公司”）設(shè)計(jì)研制，其試運(yùn)行成功標(biāo)志著中國海油在加快培育發(fā)展海洋能源新質(zhì)生產(chǎn)力，推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型方面取得新進(jìn)展。
“該裝置克服了電解海水過程中雜質(zhì)多、鹽度高、腐蝕強(qiáng)等問題，成功將單機(jī)功率提升至1兆瓦，為海水制氫的規(guī)模化應(yīng)用打下基礎(chǔ)。”海水制氫項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、海油發(fā)展清潔能源公司風(fēng)電首席工程師李志川說。
相較于高度依賴稀缺清潔淡水資源的傳統(tǒng)電解水制氫方式，海水制氫資源豐富、前景廣闊。但海水成分復(fù)雜，這對電解技術(shù)工藝和裝備設(shè)計(jì)提出了更高要求。為了將海水轉(zhuǎn)化為澎湃綠能，中國海油團(tuán)隊(duì)錨定目標(biāo)、摸索前進(jìn)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，歷經(jīng)30個(gè)月，成功推出這一具有示范意義的綠色項(xiàng)目。
無須淡化海水直接電解
海洋面積占地球表面積的71%，據(jù)粗略估算，1噸海水可通過電解海水制氫撬裝裝置產(chǎn)生氫氣660標(biāo)準(zhǔn)立方米左右。直接電解海水技術(shù)能真正讓取之不盡的海水資源變成用之不竭的綠色能源。
“海水電解效率低，海水中的鹽以及雜質(zhì)中的氯離子會(huì)對電解設(shè)備電極造成腐蝕，其他雜質(zhì)的沉積則可能堵塞設(shè)備孔道，影響電解效率甚至損壞設(shè)備。”海油發(fā)展清潔能源公司工藝工程師李子航在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)說。
為了克服上述難題，應(yīng)對催化電極壽命短、海水電解副反應(yīng)競爭激烈等問題，海油發(fā)展清潔能源公司設(shè)計(jì)研制了這套直接電解海水制氫裝置，解決了傳統(tǒng)電解水制氫裝置對于原料水質(zhì)要求苛刻的問題，并利用高效催化材料和抗腐蝕設(shè)計(jì)，解決高鹽工況下的電極腐蝕問題。
該裝置無須對海水進(jìn)行淡化處理即可進(jìn)入電解，有效降低了制氫成本。其額定產(chǎn)氫量達(dá)到每小時(shí)200標(biāo)準(zhǔn)立方米，可用于大規(guī)模產(chǎn)氫場景，制氫純度達(dá)到99.999%，滿足燃料電池、電子工業(yè)等應(yīng)用場景對高純度氫氣的需求。
模塊化設(shè)計(jì)保證高效運(yùn)行
“一般來說，海上作業(yè)空間非常有限，要求制氫效率高，設(shè)備需運(yùn)行穩(wěn)定，檢維修方便。這給裝置的設(shè)計(jì)提出很高的要求。”李子航說。
為此，海油發(fā)展清潔能源公司設(shè)計(jì)了高度集成、模塊化一體式撬裝電解海水制氫設(shè)備。研究人員將海水制氫系統(tǒng)核心設(shè)備按照功能劃分為電源、控制、電解槽、分離、純化5個(gè)功能模塊。每個(gè)功能模塊進(jìn)行撬裝化并集成至對應(yīng)的集裝箱內(nèi)進(jìn)行封裝。集裝箱之間由卡槽拼接，管路由法蘭連接，形成一體式撬裝空間，整體設(shè)備易于拆裝，核心模塊總占地90平方米，極大地縮小了設(shè)備占地面積。
“經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，整個(gè)海水制氫系統(tǒng)被劃分為5個(gè)體積基本相同的集裝箱單元，裝配和運(yùn)輸都比較方便，整體體積較小，能夠與現(xiàn)有的海上作業(yè)設(shè)施高效融合。同時(shí)，各部分之間相對獨(dú)立，便于檢修維修，為設(shè)備的高效穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好基礎(chǔ)。”李子航介紹。
海上可再生能源就地消納
隨著海上風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展，海上電力尤其是深遠(yuǎn)海可再生電力輸送與消納正面臨挑戰(zhàn)。利用海上風(fēng)電制氫，成為解決海上風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)消納難、深遠(yuǎn)海電力送出成本高等問題的有效路徑。
“但海上風(fēng)電制氫同樣也面臨難題。海上風(fēng)電輸出功率具有隨機(jī)性、波動(dòng)性，頻繁的電力波動(dòng)會(huì)影響電解設(shè)備的運(yùn)行壽命，需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和連續(xù)性。”李志川說。
為實(shí)現(xiàn)海上可再生能源的就地消納，裝置研發(fā)團(tuán)隊(duì)在抗波動(dòng)柔性控制技術(shù)與啟停機(jī)工藝的基礎(chǔ)上，建立起符合海上可再生能源特點(diǎn)的耦合模型，適應(yīng)海上風(fēng)機(jī)發(fā)電和光伏發(fā)電間歇性強(qiáng)、波動(dòng)性大的特點(diǎn)。基于這一技術(shù)模型，直接電解海水制氫技術(shù)能夠更好地與海上風(fēng)電、海上光伏技術(shù)相結(jié)合，穩(wěn)定高效地將海上風(fēng)電、光伏所產(chǎn)生的綠電轉(zhuǎn)化為純度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的氫氣產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海可再生電力的就地消納，大幅降低風(fēng)電傳輸、消納成本和制氫成本，形成以綠氫為核心的海上可再生能源綜合利用新模式。
“未來，我們將進(jìn)一步探索固態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，研發(fā)綠氫高效儲(chǔ)存測試平臺，加快培育發(fā)展海洋能源新質(zhì)生產(chǎn)力，持續(xù)打造綠氫領(lǐng)域‘產(chǎn)品+技術(shù)+服務(wù)’的工程技術(shù)服務(wù)模式。”李志川說。
近日，全球首臺套兆瓦級電解海水制氫撬裝裝置在珠海試運(yùn)行成功。該裝置由中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司（以下簡稱“海油發(fā)展清潔能源公司”）設(shè)計(jì)研制，其試運(yùn)行成功標(biāo)志著中國海油在加快培育發(fā)展海洋能源新質(zhì)生產(chǎn)力，推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型方面取得新進(jìn)展。
“該裝置克服了電解海水過程中雜質(zhì)多、鹽度高、腐蝕強(qiáng)等問題，成功將單機(jī)功率提升至1兆瓦，為海水制氫的規(guī)模化應(yīng)用打下基礎(chǔ)。”海水制氫項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、海油發(fā)展清潔能源公司風(fēng)電首席工程師李志川說。
相較于高度依賴稀缺清潔淡水資源的傳統(tǒng)電解水制氫方式，海水制氫資源豐富、前景廣闊。但海水成分復(fù)雜，這對電解技術(shù)工藝和裝備設(shè)計(jì)提出了更高要求。為了將海水轉(zhuǎn)化為澎湃綠能，中國海油團(tuán)隊(duì)錨定目標(biāo)、摸索前進(jìn)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，歷經(jīng)30個(gè)月，成功推出這一具有示范意義的綠色項(xiàng)目。
無須淡化海水直接電解
海洋面積占地球表面積的71%，據(jù)粗略估算，1噸海水可通過電解海水制氫撬裝裝置產(chǎn)生氫氣660標(biāo)準(zhǔn)立方米左右。直接電解海水技術(shù)能真正讓取之不盡的海水資源變成用之不竭的綠色能源。
“海水電解效率低，海水中的鹽以及雜質(zhì)中的氯離子會(huì)對電解設(shè)備電極造成腐蝕，其他雜質(zhì)的沉積則可能堵塞設(shè)備孔道，影響電解效率甚至損壞設(shè)備。”海油發(fā)展清潔能源公司工藝工程師李子航在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)說。
為了克服上述難題，應(yīng)對催化電極壽命短、海水電解副反應(yīng)競爭激烈等問題，海油發(fā)展清潔能源公司設(shè)計(jì)研制了這套直接電解海水制氫裝置，解決了傳統(tǒng)電解水制氫裝置對于原料水質(zhì)要求苛刻的問題，并利用高效催化材料和抗腐蝕設(shè)計(jì)，解決高鹽工況下的電極腐蝕問題。
該裝置無須對海水進(jìn)行淡化處理即可進(jìn)入電解，有效降低了制氫成本。其額定產(chǎn)氫量達(dá)到每小時(shí)200標(biāo)準(zhǔn)立方米，可用于大規(guī)模產(chǎn)氫場景，制氫純度達(dá)到99.999%，滿足燃料電池、電子工業(yè)等應(yīng)用場景對高純度氫氣的需求。
模塊化設(shè)計(jì)保證高效運(yùn)行
“一般來說，海上作業(yè)空間非常有限，要求制氫效率高，設(shè)備需運(yùn)行穩(wěn)定，檢維修方便。這給裝置的設(shè)計(jì)提出很高的要求。”李子航說。
為此，海油發(fā)展清潔能源公司設(shè)計(jì)了高度集成、模塊化一體式撬裝電解海水制氫設(shè)備。研究人員將海水制氫系統(tǒng)核心設(shè)備按照功能劃分為電源、控制、電解槽、分離、純化5個(gè)功能模塊。每個(gè)功能模塊進(jìn)行撬裝化并集成至對應(yīng)的集裝箱內(nèi)進(jìn)行封裝。集裝箱之間由卡槽拼接，管路由法蘭連接，形成一體式撬裝空間，整體設(shè)備易于拆裝，核心模塊總占地90平方米，極大地縮小了設(shè)備占地面積。
“經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，整個(gè)海水制氫系統(tǒng)被劃分為5個(gè)體積基本相同的集裝箱單元，裝配和運(yùn)輸都比較方便，整體體積較小，能夠與現(xiàn)有的海上作業(yè)設(shè)施高效融合。同時(shí)，各部分之間相對獨(dú)立，便于檢修維修，為設(shè)備的高效穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好基礎(chǔ)。”李子航介紹。
海上可再生能源就地消納
隨著海上風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展，海上電力尤其是深遠(yuǎn)海可再生電力輸送與消納正面臨挑戰(zhàn)。利用海上風(fēng)電制氫，成為解決海上風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)消納難、深遠(yuǎn)海電力送出成本高等問題的有效路徑。
“但海上風(fēng)電制氫同樣也面臨難題。海上風(fēng)電輸出功率具有隨機(jī)性、波動(dòng)性，頻繁的電力波動(dòng)會(huì)影響電解設(shè)備的運(yùn)行壽命，需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和連續(xù)性。”李志川說。
為實(shí)現(xiàn)海上可再生能源的就地消納，裝置研發(fā)團(tuán)隊(duì)在抗波動(dòng)柔性控制技術(shù)與啟停機(jī)工藝的基礎(chǔ)上，建立起符合海上可再生能源特點(diǎn)的耦合模型，適應(yīng)海上風(fēng)機(jī)發(fā)電和光伏發(fā)電間歇性強(qiáng)、波動(dòng)性大的特點(diǎn)。基于這一技術(shù)模型，直接電解海水制氫技術(shù)能夠更好地與海上風(fēng)電、海上光伏技術(shù)相結(jié)合，穩(wěn)定高效地將海上風(fēng)電、光伏所產(chǎn)生的綠電轉(zhuǎn)化為純度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的氫氣產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海可再生電力的就地消納，大幅降低風(fēng)電傳輸、消納成本和制氫成本，形成以綠氫為核心的海上可再生能源綜合利用新模式。
“未來，我們將進(jìn)一步探索固態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，研發(fā)綠氫高效儲(chǔ)存測試平臺，加快培育發(fā)展海洋能源新質(zhì)生產(chǎn)力，持續(xù)打造綠氫領(lǐng)域‘產(chǎn)品+技術(shù)+服務(wù)’的工程技術(shù)服務(wù)模式。”李志川說。
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