水与氢能的新模式
中国在山东省沿海城市日照启用了一座规模紧凑、目标远大的设施，将海水和工业废热转化为两种战略资源：低成本淡水和绿氢。项目运营方表示，该设施生产淡水的成本约为每立方米2元人民币，约合28美分，低于许多城市的常见市政自来水价格。它还副产高纯度氢气，同时浓缩富含矿物质的卤水，供海洋化工行业使用。该设施已连续运行三个多星期，这是验证这种新型水能一体化系统可靠性的一个重要里程碑。
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这个构想说起来简单，实施起来却很难。海水这一种原料，可产生三种产品。每年处理800吨海水，工厂可产出约450立方米超纯水，可用于工业冷却或家庭用水；约19.2万标准立方米绿氢；以及约350吨可出售给化工生产商的卤水。据报道，生产每标准立方米氢气需要约4.2千瓦时电力，这一水平与现代电解槽的性能相当。日照项目的特别之处，在于利用附近钢铁和石化工厂的低品位热能来降低水的生产成本；这些热量通常会散入空气或海洋。
日照系统如何运行
这座工厂紧邻能源密集型产业布局，这些产业会持续产生低温热流。热能驱动分离步骤，在相对较低的温度条件下将海水转化为高度洁净的水。适用于这类条件的技术包括膜蒸馏和加湿除湿技术，它们都适合利用低温热能。部分淡水供用户使用，另一部分则送入电解槽，将水分解为氢气和氧气。剩余的浓缩卤水可作为溴、镁盐和工业盐等产品的原料，从而减少将浓缩卤水排回海洋的需要。
低品位热能为何重要
重工业会散失大量中低温热能，钢厂和炼油厂就是典型例子。回收这些热能用于制水，可以避免海水淡化额外消耗电力。在沿海工业园区，海水资源丰富，废热来源充足，冷却需求也持续存在。将海水淡化和电解制氢设施布局在大型热源旁，可同时降低运营成本和碳强度。此举也能减少对市政供水的依赖，缓解当地含水层和河流的压力。
能耗数据意味着什么
讨论氢能耗时，常以每千克氢气消耗的电量为单位。一个标准立方米氢气约重九分之一千克。按每标准立方米4.2千瓦时计算，每千克氢气的耗电量约为47千瓦时，处于现代碱性电解槽和质子交换膜电解槽的能耗范围内。日照项目的创新不在于电解槽性能非同寻常，而在于工厂将电解槽与利用废热运行的海水处理线配套，从而降低成本和用水足迹。要称为绿氢，所用电力仍须是低碳电力；但热能成本大幅降低，因为这些热量原本会被白白浪费。
氢能能否直接从海水中制取
直接海水电解是当前活跃的研究方向，即电解槽无需单独淡化步骤，直接以海水运行。这一方案在海上最具吸引力，因为海上风电场和平台可以就地制氢，再通过管道或船舶输送到岸上。难点在于化学反应。海水含有大量氯化物、硫酸盐和有机物。标准电解槽往往会促使阳极发生析氯反应，导致部件腐蚀并产生不需要的氯气。沙粒、生物污损和结垢也会缩短设备寿命。为解决这些问题，研究团队正在测试能够抵御氯离子侵蚀的新型催化剂、可阻挡触发副反应离子的多孔隔膜，以及能将氯气排除在反应区域之外的设计。中国沿海一项浮式示范项目已表明，基于膜的系统可通过隔离出一层洁净水用于电解，同时从海洋取水，在恶劣海况下运行。
两条路径，一个目标
将海洋资源与氢能结合，主要有两种方式。第一种是先淡化海水，再使用传统电解槽。第二种是改造电解槽，使其直接使用海水，或使用经过在线净化的水。日照项目规模较小，采用的看起来是第一种方式，但有所不同：它没有在制水环节使用大型电泵和高压反渗透技术，而是利用附近的热能。海上和偏远地区的风电场空间有限、维护不便，可能更倾向于第二种方式。沿海工业园区则可能偏好第一种方式，因为那里有可用的废热，而且工业企业能够消纳淡水和氢气两种产品。在实验室和试点工厂中，耐腐蚀催化剂、新型膜材料和无膜技术等研究，正推动这两种路径不断发展。
从试点走向产业化的成本与规模
每立方米淡水定价2元人民币，颇具吸引力。这一价格低于许多城市的自来水价格，而且水的纯化程度较高，许多工业用户若自行处理，还要承担额外成本。降低水成本能让缺水省份的氢气生产更具吸引力，因为制氢通常需要非常洁净的水，以保护电解槽。水和氢气联产还能将资本成本分摊到两种产品上，而卤水化学品带来的收入则可抵消部分运营开支。
氢气的电力成本取决于电源。按每千克约47千瓦时计算，若电价为每千瓦时3至5美分，电费约为每千克1.40至2.35美元。设备、维护和融资成本还会进一步推高总成本，且差异很大。日照项目规模不大，但为中国沿海地区提供了一种可扩大规模的模式。中国工业走廊密集，废热资源充足。因此，山东、河北和江苏等地的钢铁产业集群，适合采用更大型设备复制这一模式。
电力供应也在改善。一条特高压输电通道如今将西部省份的大型风电和太阳能基地与东部负荷中心相连。新建输电线路将甘肃新增的电力接入服务山东的电网。稳定的可再生电力供应将使未来的日照项目能够扩大电解槽规模，并在单靠废热无法满足负荷的时段，仍保持氢气生产的低碳属性。
这对水资源紧张地区为何重要
如果水资源稀缺，氢气就是一种耗水量很大的产品。生产一千克氢气通常需要约9升洁净水。分析人士预计，未来十年新增的氢能需求将需要数十亿立方米淡水。如果氢能需求激增发生在干旱地区，除非海水和废水投入使用，否则供水压力将进一步加大。研究表明，将海水淡化与电解制氢结合起来，并回收燃料电池和电解槽产生的废热，可将总能耗降低几个百分点。将水源转向沿海，并利用原本会被排放的热能，可为农田和城市保留内陆水资源，同时在一定程度上减少能源投入。
环境设计仍然重要。卤水若未经妥善处理就排放，可能损害海洋生态系统。日照模式通过出售卤水用于化工生产来降低这一风险，从而减少向海洋排放。海水取水也需要精心设计，以避免伤害海洋生物。最佳做法是通过细筛网以低流速取水，并将取水口设在鱼类和幼体较少的区域。这些并非事后才考虑的事项。随着更多沿海工业园区计划结合海水淡化和电解制氢，这些措施是获得许可和社区支持的关键。
中国围绕氢能技术构建产业生态
日照这类项目背后，是不断壮大的制造业基础和日益丰富的合作伙伴网络。在天津，一家现由欧洲企业全资控股的大型电解槽工厂，每年供应数百兆瓦的碱性电解槽模块。该工厂升级了自动化和质量管理系统，已经为一些全球在运行的最大氢能项目提供设备。实现全资控股意味着可以更快调整设计、优化物流，并为全球订单提供更完善的质量保障。
HydrogenPro首席执行官Jarle Dragvik将这一转变形容为让产能与超大型项目的需求相匹配。
关键在于简化运营，并建立一套具有成本效益、能够满足大型项目需求的运营体系。
在中国，外国企业和本土企业正加强海水淡化、可再生能源和氢能领域的合作。一家全球水务和能源开发商已在上海设立创新中心，与高校和实验室合作开展光伏、风能、储能、绿氢和海水淡化项目。中国企业也在输出专业经验。其中一家正在埃及建设一个与风能和太阳能配套、面向氨出口的绿氢项目。另一家则与沙特阿拉伯合作，设计一座大型制氢制氨工厂。这些举措表明，一条能够为国内外项目提供设备、服务和运营经验的供应链正在形成。
未来发展方向
日照及类似工厂接下来的考验在于时间。工程师将关注热驱动膜上的污损、管道结垢，以及电解槽在废热供应不稳定时启停所带来的运行稳定性问题。随着运行时间增加，实际维护需求和最佳运行时段将更加明晰。在商业层面，水、氢气和卤水化学品三条产品线相结合，可以缓冲收入波动，提升项目的融资可行性。
两条技术路径的适用场景也会逐渐明朗。直接海水电解可能适用于配备风能和波浪能的海上设施，因为那里更看重系统简洁、设备紧凑。先淡化再电解的方案，则可能更适合低品位热能充足、且对高纯度工艺用水有稳定需求的地区。最终目标相同：以有竞争力的成本供应绿氢，同时不消耗稀缺淡水资源。日照试点展示了一种切实可行的路径，还能将工业目前白白浪费的热能转化为有用资源。
要点
- 山东日照的一座沿海工厂利用工业废热，将海水转化为淡水和绿氢。
- 据报告，淡水价格约为每立方米2元人民币；氢气能耗约为每标准立方米4.2千瓦时。
- 每年处理800吨海水，可产出450立方米超纯水、19.2万标准立方米氢气，以及350吨用于海洋化工的卤水。
- 利用低品位热能进行海水淡化可减少电力需求，并缓解市政供水压力。
- 直接海水电解技术正在发展，但材料方面的挑战仍然存在，因此许多项目仍倾向于先淡化、再电解。
- 中国的特高压电网将新增风能和太阳能电力输送至山东，为扩大电解槽规模提供支持。
- 天津的制造产能和上海新设的创新中心，体现出氢能与海水淡化产业生态不断壮大。
- 埃及和沙特阿拉伯的出口项目，显示出中国氢能和海水淡化专业技术的全球影响力。
- 沿海项目扩大规模时，精心设计取水设施并妥善管理卤水，对保护海洋生物至关重要。
