氫能作為全球公認最清潔的二次能源之一，被列為實作脫碳的重要途徑。
海洋占全球儲水量的96%以上，就像一個巨大的氫礦。使用海上可再生能源作為輸入的海水電解為化石燃料的不永續利用提供了一種很有前途的替代方案。
海水製氫是一種利用海水中的水分子進行電解反應產生氫氣的技術。目前海水製氫已被視為一種可再生能源的替代解決方案。不過用電解水分解產生氫氣和氧氣所需的能量巨大，每制取1 kg氫氣要消耗大約50 kWh電能，耗去淡水大概22 kg，制氫的一個主要挑戰就是高電能消耗。
目前海水製氫主要透過電解、光解或者雙膜方式，具有資源豐富、環保、生產效率高、安全等優勢，但也面臨著催化劑的選擇、電解效率的提高、裝置的耐腐蝕性等挑戰。
目前，間接海水電解（預脫鹽後的海水電解）已在多個示範計畫中得到套用。2017年，日本豐田汽車公司開發了世界上第一艘以氫燃料為動力的船舶Energy Observer，其中透過海水電解產生氫氣；2019 年，Tractebel Overdick 提出了一個使用海上風電作為能源輸入的制氫平台；2022 年，Sealhyf 被發現可以在海洋中產生綠色氫氣1，該系統配備了一個 1 MW 的 PEM 電解槽，每天能夠生產 400 公斤氫氣。這些示範計畫表明，預脫鹽和傳統電解槽的耦合可能是在海洋中產生氫氣的可行解決方案。然而，使用凈化系統去除雜質離子可能會增加能源消耗和工程成本，使海洋中的原位制氫變得困難。
直接海水電解消除了對額外水凈化過程的需求，為海洋制氫提供了一條有吸重力的途徑，但仍存在許多挑戰。海水的成分很復雜，含有至少92種元素，其中許多元素會對電解產生重大的負面影響。例如，氯氧化反應不僅與析氧反應競爭，降低制氫效率，而且還釋放出有毒的Cl2，可能導致電解系統嚴重腐蝕;不溶性物質如Mg（OH）的沈積和粘附2和 Ca（OH）2電解過程中產生的離子體會削弱膜的傳遞函式，導致催化劑快速失活。此外，海水中性環境和較低的離子電導率限制了電解，更重要的是，由於各種因素（如地理位置和季節變化）導致的海水成分變化給設計海水電解槽帶來了重大挑戰。
直接海水電解的概念是在 1970 年代提出的，科學家們已經開發了許多涉及催化劑工程的策略，盡管這些策略在特定情況下的實驗室環境中顯示出有希望的結果，但目前尚無直接進行原位海水電解的報道。此外，在海洋環境中使用可再生能源直接海水電解的設計和實施在很大程度上仍未得到探索。
中國率先實作海上風電驅動海水製氫
近日，中國科研團隊在海水製氫領域取得重大突破，成功實作海上風電驅動海水直接電解制氫技術。
中國工程院院士、深圳大學教授謝和平團隊與東方電氣集團團隊合作，首次實作海上風電可再生能源和海水直接電解制氫一體化，並在大海中利用海上風電驅動海水製氫。相關研究成果6月21日發表於【自然·通訊】。
這一技術不僅破解了半個世紀以來海水直接電解制氫的難題，還實作了高達99.9%的氫氣純度，為永續能源產業和燃料經濟開辟了新路徑。
a 由UPS模組、電流轉換模組、海水電解模組、H組成的整個系統圖示2檢測模組和運輸模組。b 裝置過程圖（I = 電流值，U = 電壓值，Q = 流量值）。c 浮動平台內部空間照片。d 與海洋相連的海水艙示意圖。
a 風力渦輪機網路示意圖。風力渦輪機產生的電力進入增壓站。當特定的風力渦輪機無法在無風環境中發電時，升壓站會向該風力渦輪機輸入能量以進行啟動和執行。b 渦輪機功率隨風速的波動。在500 min內，風力發電機組的最大輸出功率是最低水平的4倍以上。c 浮動平台在波動環境下的壓力和應力分布。d 海洋中浮動平台的方向。e 海上試驗期間風向玫瑰圖。f 海洋中的風力渦輪機網路和原位直接海水電解平台的照片。（風玫瑰圖是氣象科學專業統計圖表,用來統計某個地區一段時期內風向、風速發生頻率，又分為「風向玫瑰圖」和「風速玫瑰圖」 ；因圖形似玫瑰花朵，故名。風玫瑰圖對於涉及城市規劃、環保、風力發電等領域有著重要的意義。）
傳統的海水製氫技術依賴於淡化預處理，不僅工藝復雜，還占用大量土地資源，推高了制氫成本。謝和平院士團隊的創新技術，透過海上風電可再生能源與海水直接電解制氫一體化，有效解決了這些問題。
a 由水相變遷移機制驅動的海水電解。b 興化灣和深圳灣的離子濃度。c 不同海水和SDE濃度下的水蒸氣壓差。d 不同海浪模式下水遷移品質隨時間的變化。恒定模式：穩定連續輸出水流量;脈沖模式：間歇性輸出水流;潮汐模式：水流輸出從低值到高值迴圈;亂流：水流的隨機輸出。e 脈沖模式下不同波高的平均水遷移速率。MoNi/NF陽極催化劑（f）和PTFE膜（g）電解前後的SEM影像。所有誤差線都表示三次測量時的標準偏差。
a 興化灣的溫度和相對濕度的變化。每 4 小時記錄一次數據。2023年5月17日至2023年5月26日期間的風速（b）和波高（c）。每4 h記錄一次數據。d 海水電解系統（1#）在不受控制的波動海洋環境中的穩定性。e SDE和興化灣海水的平均離子濃度。催化劑（f）和PTFE膜（g）在波動的海洋中電解後的SEM影像。h 電解後聚四氟乙烯膜的接觸角。i PTFE 膜在使用 10 天前後的水遷移行為。所有誤差線都表示三次測量時的標準偏差。
該團隊基於2022年11月在【自然】發表的「海水直接電解制氫全新原理」，構建出真實大海不可控海洋波動環境下海水直接制氫全新路徑與技術，並系統研究不同海水組分（廣東省深圳灣、福建省興化灣）濃度變化所導致界面蒸氣壓差差異，闡明濃度動態變化下相變遷移過程的自調控自適應機制。
（2022年11月，中國工程院院士謝和平團隊在【自然】雜誌發表論文，以分子擴散、界面相平衡等物理力學與電化學相結合的全新思路，建立了相變遷移驅動的海水無淡化原位直接電解制氫全新原理與技術。此項技術隔開了海水離子通道，基本達到了無淡化過程、無副反應、無額外能耗的效果，高效實作了在海水裏原位直接電解制氫，省去了海水淡化這一流程。該計畫第二步計劃是實作規模化，研制大容量商業化電解槽，第三步是實作產業化。）
團隊自主研制的樣機在深圳灣海水中連續穩定執行超過3200小時，驗證了技術的成熟度。
進一步的海上試驗在福建省興化灣進行，利用海上風電驅動，實作了連續10天的穩定執行，海水雜質離子阻隔率高達99.99%以上，制氫純度達到 99.9%-99.99% 。
氫能源為經濟社會發展註入強勁動力
（中國工程院院士、深圳大學特聘教授 謝和平）
作為能源，氫的優勢十分突出。一是，氫元素分布廣泛，約占宇宙物質總量的81.75%，在地球水體中儲量豐富；二是，氫氣的燃燒熱值高，是汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍；三是，氫氣燃燒的產物只有一種——水。來源豐富，能量密度高，清潔無汙染，集三重優勢於一身，在倡導綠色發展的今天，氫能源的開發與利用受到前所未有的重視。
近年來，中國氫能技術及產業快速發展：首列氫能源市域列車完成達速試跑，海水直接制氫技術在福建海試成功，【氫能產業開發中長期規劃（2021—2035年）】【氫能產業標準體系建設指南（2023版）】等陸續推出……氫能作為清潔能源，為經濟社會發展註入強勁動力，也成為深受關註的科技話題。
既是清潔能源，也是「多彩」能源
氫元素並不等於氫能源。從人類利用氫能的廣義角度來看，太陽品質的72%是氫，它幾十億年來透過持續不斷的熱核融合，把氫中的能量轉換成光能，源源不斷地送達地球，驅動地球上的物質迴圈與能量迴圈，孕育了地球上的生命。而我們日常生產生活中用到的氫能，主要是氫和氧進行化學反應釋放出的化學能。
數百年來，人類從未停止對低能耗、低成本氫能制取技術的探索。因為地球上的氫元素只占地球總品質的0.76%，其中氫單質，也就是氫分子的賦存更是極其稀少，所以人類無法像勘探開采石油和煤炭那樣輕易找到「氫礦」，而要透過科技手段來制取氫氣。19世紀後，氫燃料動力火箭把人類帶入瑰麗的太空，氫燃料電池技術的出現則讓「氫—電」直接轉換成為可能。直到今天，科學家仍在努力將地球上的太陽能、風能、海洋能等可再生能源，再度轉化為氫這一清潔、高密度的能源形式。
氫能是「多彩」的。根據不同制取方式，氫能可分為綠氫、灰氫、藍氫、紫氫、金氫等。其中，灰氫來自煤炭制氫、天然氣制氫、工業副產氫氣，屬於直接制氫，成本較低，但需要消耗煤、天然氣等化石能源，會產生大量二氧化碳。目前，灰氫產量約占全球氫氣產量的九成以上。藍氫則是在灰氫基礎上，將制備過程中排放的二氧化碳副產品捕獲、利用和封存，更加環保。紫氫是利用核能進行大規模電解水製氫。近年來，地質學家還發現了金氫，它由地下水與地下橄欖石（一種呈綠色的鎂鐵矽酸鹽）等礦物交互作用，使水被還原為氧氣和氫氣。在這一過程中，氧氣與礦物中的鐵結合，氫氣則逃逸到周圍的巖石中，並利用地下礦石的石化過程不斷再生氫氣。金氫因其地質儲藏勘測和開采難度極大，目前尚未得到充分開發利用。
最為重要的綠氫，是透過風能或太陽能等可再生清潔能源發電，再利用這些清潔電能，以電解水方式制取氫氣。綠氫在制取過程中基本不產生溫室瓦斯，是目前氫能發展的主要趨勢。放眼世界，綠氫成為各國清潔能源轉型的重要一環，不少國家出台了相關政策，鼓勵建設大規模綠氫供應鏈。2023年8月，中國第一個萬噸級光伏發電直接制綠氫計畫——新疆庫車綠氫示範計畫全面建成投產，每年可生產2萬噸綠氫，減少二氧化碳排放約48.5萬噸。
儲用結合，豐富利用手段
解決了氫能的來源和制取成本問題，就要考慮如何把氫能送達各類套用場景並創新氫能利用方式。儲存和運輸，始終是人類能源利用的技術課題。氫氣密度小、易燃燒，因而儲運成本高，存在安全風險，長期以來影響著氫能利用。為此，科學家們正嘗試將氫轉化為易儲易運的氨或甲醇，進而實作綠氫大規模套用。比如，以經典的哈伯—博施工藝借助氮氣及氫氣制取氨氣，或利用新興的電化學常壓低能耗合成氨技術，實作「氫氨融合」，豐富了化肥、工業等傳統用氨行業及綠氨摻混發電、綠色船用燃料等下遊新興領域的能源供給。另外，利用綠氫和二氧化碳合成綠色甲醇，也能實作氫能整體的全周期近零排放。目前全球市場對綠色甲醇、綠氨、生物柴油等綠色清潔液體燃料需求巨大，相關產業總產能有待進一步提高，綠色清潔液體燃料前景廣闊，有望成為更具經濟性的綠氫消納利用新路徑。
除了作為化工原料（如石油煉化、合成氨、合成甲醇）和工業工藝瓦斯（如鋼鐵、半導體行業還原劑）等傳統使用方式外，綠氫還可以作為能源、燃料來使用。氫燃料電池是目前被廣泛看好的氫能利用路線。氫燃料電池汽車具備零排放、零汙染、無雜訊、補充燃料快、續航能力強等優勢。2022年北京冬奧會期間，超過1000輛氫能源汽車投入使用，並配備了30多個加氫站，這是迄今為止氫燃料電池汽車在全球最大規模的集中示範營運。
在新技術加持下，氫能交通工具可以實作風、光、水到氫再到水的「無碳物質閉環」，構成綠色發展的一次次清潔能量迴圈。比如氫能源市域列車，以每天500公裏裏程計，每年大約可減少10余噸二氧化碳排放。未來，氫能大巴、氫能重卡、氫動力船舶、氫動力無人機等都可能出現，氫能交通工具也有望與其他新能源交通工具一道，構築城鄉發展的運力網路。
展望未來，在實作「雙碳」目標的過程中，氫能源將在交通、工業、建築、電力、國防、航空航天等領域發揮更大作用。這需要科研工作者和一線企業共同努力，開發氫能制取、儲存、運輸、利用等一系列新技術。時不我待，元素周期表上的第一個名字，還有許多奧秘等待我們去探索發現。
部份素材來源：國家能源局、深圳大學
