來源：該研究成果以 “Seawater Electrolysis for Hydrogen Production: A Solution Looking for a Problem?”為題發(fā)表在Energy & Environmental Science 1EE00870F)

作者：MG Kibria，MA Khan，V Thangadurai，SR Larter，J Hu

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一、直接電解海水

PEM水電解的要求之一是高純水

與PEM相比，堿性電解槽對水質(zhì)要求較低，但仍需要高純水才能實現(xiàn)長期穩(wěn)定。通過反滲透 (RO)、多級閃蒸(MSF)、電滲析、多效蒸餾(MED)來淡化海水，通常還需要額外的技術(shù)，如離子交換或電去離子化(EDI)，來生產(chǎn)電解水系統(tǒng)所需的高純水。一種直接分解海水的技術(shù)有可能會被用于沿海干旱地區(qū)，因為這些地區(qū)的淡水資源有限，但卻有大量的海水和太陽能、風能和地熱的可再生電力。過去的幾十年里，直接海水電解的研究取得了顯著的進展(圖1)，發(fā)表了700多篇論文，340多項技術(shù)，得到數(shù)百萬美元的研究資金。

圖表說明：(a) 每年檢索“海水分解”題目時，摘錄的出版物數(shù)目；(b)在Patsnap數(shù)據(jù)庫中搜索標題、摘要或權(quán)利要求中“海水”和“電解”等主題時，每年在Patsnap數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)的技術(shù)申請數(shù)量

二、海水淡化技術(shù)

1.海水淡化-特別是通過海水反滲透(SWRO)已經(jīng)看到了巨大的技術(shù)進步。

隨著膜技術(shù)的改進、更高效的能量回收裝置和反滲透(RO)系統(tǒng)的工藝優(yōu)化，與該技術(shù)相關(guān)的能源需求、資本和運營成本得到降低。在過去的幾十年里，SWRO海水淡化廠的能源需求從9~10 kWh/立方下降到目前＜3 kWh/立方。SWRO脫鹽水的均一化成本從2.2 美元/立方降低至＜0.6美元/立方，全球海水淡化能力增長了6.5倍(見下圖)。截至2020年，總生產(chǎn)能力達到> 100 million 立方/天，約70%為RO，并且未來幾十年的產(chǎn)能增長預計將遵循同樣的趨勢。這就引出了一個問題: 與SWRO和商業(yè)電解水相結(jié)合的廣泛實施相比，直接海水分離的未來前景如何? 是否應(yīng)該考慮重新調(diào)整研究重點?

圖表說明：(a) SWRO淡化水價的下降趨勢和；(b)反滲透(RO)和淡化工藝的年裝機容量

2.海水反滲透與電解水，通過一個PEM案例研究來研究SWRO-PEM耦合技術(shù)

水電解系統(tǒng)（50噸/天的氫氣生產(chǎn)能力）耦合SWRO工廠的供水(圖3)。該過程由電網(wǎng)供電，電力來自化石能源和可再生能源。如下圖所示，PEM電解裝置由電解槽堆和裝置的BOP 部件組成。電氣BOP由交流到直流整流器組成，用于轉(zhuǎn)換電網(wǎng)電力，而機械BOP由其他輔助部件組成，如泵、熱交換器、溫度變化吸附(TSA)子系統(tǒng)和最重要的去離子器(DI)系統(tǒng)。

圖表說明：50噸/天制氫的電網(wǎng)供電SWRO-PEM系統(tǒng)原理圖。

SWRO裝置包含反滲透裝置，它使用膜屏障和泵來輸送能量，把鹽從鹽水中分離出來。使用高壓泵，水被迫通過具有致密分離層(薄膜復合膜)的半透膜，允許純水分子通過，同時排斥溶解的鹽和其他雜質(zhì)此外。為了控制反滲透膜(生物)的污染和結(jié)垢，SWRO系統(tǒng)需要物理 (如雙介質(zhì)、沉積物和碳過濾器或低壓膜) 和化學 (如混凝聚合物、防垢劑、酸、氯化/脫氯) 預處理。SWRO-PEM耦合系統(tǒng)可以位于沿海地區(qū)，例如有強烈的太陽照射或者風能的地區(qū)，使用光伏或風力渦輪機產(chǎn)生可再生電力，也可以在海上架構(gòu)。

圖表說明：按容量、給水類型和海水淡化技術(shù)分布全球的大型海水淡化廠

凈化和電解電能成本：PEM電解裝置通常需要10千克水來生產(chǎn)1千克氫氣，即總水50噸/天H2 PEM電廠SWRO水需求為500 立方/天。SWRO-PEM耦合過程每日所需能量的分解如下圖(a)所示，突出顯示了SWRO所需的低能量(占總能量的0.1%)。電解10kg水需要~55.44千瓦時的能量(包括BOP)，而淡化等量水只需要0.03千瓦時。

建造成本：與建造SWRO-PEM電廠相關(guān)的資本支出細項如下圖(b)所示。對于一個50噸/天的制氫工廠，總安裝的資本成本約為460美元/千瓦，其中26%為與BOP相關(guān)的成本。與此同時，SWRO工廠的資本成本取決于技術(shù)、地點、環(huán)境法規(guī)，最重要的是工廠的規(guī)模。該分析顯示，SWRO工廠的資本支出只占耦合過程所需的總直接資本支出的3%(下圖(b))。

運營成本：SWRO-PEM耦合過程的運營成本分解如下圖(c)所示。PEM系統(tǒng)的運營成本主要是電力成本。另一方面，SWRO工廠的典型運營成本包括電力消耗、膜更換、廢水處理、化學品、人工和運維成本。假設(shè)電力成本為0.05 美元/kWh, SWRO電廠的運營成本只占耦合過程總運營成本的一小部分(約0.2%)，其余主要占比是PEM電解槽運行的電力成本(約95%)。

氫氣平準化成本：在不考慮SWRO的情況下，氫氣的平均成本約為3.81美元/kg，考慮SWRO水的成本后，平均成本略增加到3.83美元/kg (下圖(d))。分析表明，與PEM電解相比，SWRO電解的能源、資本支出和運營成本較低，因此使用SWRO水不會顯著增加氫氣生產(chǎn)成本。

圖表說明：(a)每日能源需求；(b)總資本支出；(c)運營成本；(d)以50噸H2/天的產(chǎn)能運行的SWRO-PEM電解裝置的氫氣平準化成本

3.SWRO- PEM耦合技術(shù)的碳排放

利用不同能源的平均排放強度計算了SWRO-PEM電解過程中產(chǎn)生一千克H2的CO2排放量，如圖6(a)所示。如果用純化石燃料(煤、石油、天然氣) 電力電解水產(chǎn)氫，最終產(chǎn)生的二氧化碳比現(xiàn)在的SMR過程 (8-12千克CO2/千克H2) 更多。但是，與PEM水電解相比，無論電力來源如何，SWRO對CO2排放的貢獻是微不足道的(見下圖6(a))。

圖表說明：(a) SWRO-PEM電解過程的CO2排放量(kg CO2e/kg H2)匯總，具體取決于電力來源，顯示了SWRO-PEM電廠使用天然氣電廠的電力產(chǎn)生的二氧化碳排放的放大圖。典型的SMR過程碳釋放顯示為陰影紅色區(qū)域

4.SWRO-PEM在實際的情況下的二氧化碳排放量

圖表說明：(b)基于不同發(fā)電轄區(qū)碳釋放強度。典型的SMR過程碳釋放顯示為陰影紅色區(qū)域

【結(jié)論】

研發(fā)投資優(yōu)先放在在不久的將來有可能被廣泛應(yīng)用的技術(shù)上，包括SWRO和PEM系統(tǒng)，比大規(guī)模投資開發(fā)催化劑和系統(tǒng)用于直接電解海水及其伴隨的不確定性，是一條更實際、更容易部署的路線。同時，全球有12億人生活在水資源匱乏的地區(qū)，因此有機會通過進一步開發(fā)高效節(jié)能、經(jīng)濟實惠的海水淡化技術(shù)來解決水資源短缺和水質(zhì)惡化問題。此外，海水淡化技術(shù)可以衍生出來的一個額外的優(yōu)點，即能夠處理來自各種各樣來源的水，如咸水地下水、地表水、海水以及生活和工業(yè)廢水。為了使海水淡化耦合PEM更容易推廣和實用，研究工作應(yīng)致力于改進海水淡化過程，設(shè)計更有效和耐用的膜。

文章來源：氫眼所見  作者：馬震

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