常焜院士：人工光合作用-光解水制氢模式，突破氢能研发瓶颈！

在能源变革的今天，全球都在推进绿氢应用，我国更是将氢能源作为战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。7月17日，欧洲工程院院士常焜在“2024中国国际新型储能发展峰会（INES2024）”上，带来了团队正在开发的一种光解水制备氢气技术，这种技术的好处是可以大幅降低氢气的制备成本。

不管是光能还是风能，发出的电是没有办法直接进行并网的，这就需要加一些配储装置，中间的储能装置非常重要。现在很多示范项目特别是风电存储、光伏发电存储，一部分转化为电能，还有一部分直接变为氢能的方式。从太阳光能到氢能这种直接获取新能源的方式，是非常清洁且环境非常友好的。

2022年，我国制定了2021-2035年的中长期氢能发展战略规划，明确氢能源战略地位。

2017年日本提出建造大型光伏制氢发电站，目标成本价在30日元/Nm3 ，每千克人民币大概14元，目前已经建成了兆瓦级的光伏制氢示范项目，但依然没有办法降低成本。

2023年美国能源部发布的氢能中长期发展规划，目标是到2030年准备把氢气的成本控制在每千克1美元，也就是人民币7元。我国在制定规划时并没有明确提出未来氢气的价格，但参考美国和日本的价格，我们还是希望未来的绿氢成本能够低于煤制氢的价格。

现在的制氢成本主要是光伏到氢能的转换，围绕着两个方面，一是碱性碱水制氢，也是最成熟的制氢方式；二是酸性制氢，先进技术PEM制氢。目前来说，碱水制氢的成本相对低一些，而且设备、电费、维护、折旧费都会比PEM更低，但从效能来说，PEM酸性制氢的效率包括氢气的纯度还是优于电解水制氢。

无论是碱性碱水制氢还是酸性制氢，现在都离不开太阳能光伏发电。从目前世界上最先进的研究报道来看，光伏转为氢能，不管是光伏-碱性水电解，还是光伏-酸性水电解，以及现在比较火的光伏-海水电解，很大程度上效率的提升是取决于光伏太阳能电池板的效率，而光伏太阳能电池板的效率仍有很大的提升空间，上下幅度空间会比较大，比如商用卫星，南京航空航天大学航空学院研发的新型三节太阳能电池，在实验室的发电效率可以达到42%左右，但在日光下的效率只有24%，这跟人们常听到的光伏硅、单晶硅太阳能电池在实验室可以达到25%的发电效率，但实际在日常一个太阳的照射下，效率大概也就是百分之十几。海水制氢的效率是在不断攀升的，但太阳能电池的发电效率基本都在40%左右，所以如何提升光伏制氢能转化效率，是未来光伏电解水的有效发展策略。

以产业端示范项目为例，中国新疆库车绿氢示范项目（我国收个万吨级光伏绿氢示范项目）预计今年年底落成，占地9700亩，年产量可以达到2万吨的氢气，成本可以控制在18元（不含设备运用和其他费用，只是考虑电费的成本），这个价格已经非常低了。日本福岛FH2R示范项目制氢能力可以达到1200标方/小时，我国很多项目都已经赶超。

现在从光伏到氢能的转化来说，如果不考虑设备、成本，只考虑电费，现在已经可以达到18元/公斤，接近于煤制氢的价格，但设备投入非常大，对于隔膜的更换，需要更加雄厚的资本。在西北地区光照强度高、时间长，然而在大面积建设光伏电站，可能会导致土壤沙化包括破坏绿植，对环境污染是一个挑战。再看光伏和海水电解，海水电解成本非常低，南京大学也有一个非常大的突破，可以直接海水电解水，而且性能稳定性可以达到200小时不衰减。然而未来海水制氢会涉及到海水腐蚀，氯离子、钠离子、钙离子等，不管是对催化剂，还是对电极材料、管道腐蚀度都是非常大的，影响氢储运安全。在这个情况下，我们不妨考虑还有没有其他策略的制氢方式？

从太阳光能到氢能的转换方式来说，大体主要还是分三个步骤，一是利用太阳光直接照射，直接把水变成氢气和氧气；二是光电催化；三是光伏+电解，现在商业化比较多的制氢模式。

2022年德国一个经济学家发表了一篇以经济学角度来看这三种方式的制氢路线，以及对未来产业化路径的推算，他当时说到了一个经济因子，以经济因子这条划线来说，在未来的目标中，光伏+电解水是最有可能实现产业化的，还有就是太阳光照射水，直接把水变成氢气和氧气，这个技术相对来说成本非常低。上世纪70年代日本藤岛昭教授就提出了这样一个概念，当太阳光照在催化剂上，必然像光伏板一样会产生电子和空穴，电子可以还原水中的氢离子变成氢气，而空穴可以氧化水变成氧气，但这个效率非常低，2021年日本首次向世界公布了仅仅利用太阳光技术照射水变成氢气和氧气的技术，做了100平方米的阵列测试，基本开启了光解水制备绿氢的工业化进程，虽然转化效率很低，只有0.76%，但成本包括运行模式可以作为参考。

基于此，我们研究团队一直在深耕这个领域。目前实验室内太阳能制氢转换效率可以达到1.8%，如果想要进行工业化的转换，在实验室所制备的克级别的想变成公斤或者吨级别的转化，就要考虑非常多的因素，一是效率要达到一致性；二是控制整体制备成本，想要在这个赛道上跑赢光伏+电解水，必须要在成本上极大地压制；三是照射水产生的氢气和氧气是混合气体，不像电解水里的PEM电解槽或者碱水制氢电解槽，氢气和氧气是分开出来的，这里面是混合气体，怎样进行有效的分离，而且在分离过程中存在什么样的风险？都是规模化生产要具体考量的问题。

当前团队基本实现公斤级的制备，在实验室里可以达到克级制备，在推广过程中必须要达到公斤级制备。采用了低价合金催化剂，大大降低了催化剂成本。在制氢设备方面，做了很多的尝试和测试，通过太阳光的追光系统和聚光系统，我们发现在聚光环境下，同样大小的光斑产生的能量可以达到1+1>3的效果，再就是进行光谱能源最大化的利用，进行反光测试。在氢氧分离系统的设计上，利用了多性气体鼓气法，用两步前置过程再加一步分离，以及第三方进行回收控制，进行了高效分离。目前来说，实验室10标方以内的氢气可以一次性实现提纯率达到98%以上的过程。

实验团队整体的构思已经实现了从材料规模化制备-设备更新-氢氧分离，最后能够实现直接在太阳光光照达到绿氢的成本。技术优点是无需电解，仅靠太阳能就可以产生纯氢的有效策略，整体过程没有任何污染，而且零排放，并且目前催化剂的成本是一公斤五千块钱左右，能够实现一公斤催化剂铺设的面积达到一千平米。太阳能制氢转化效率要达到2%，以五千块钱一公斤的催化剂，氢气成本可以降低到7.8元左右，而且设备非常便宜。如果未来催化剂降到一千块钱一公斤，氢气成本就可以降到1-2元左右，所以这块技术的发展，未来能实现氢能的转化。国家对氢能市场以及氢气的消纳是非常大的问题，因为运氢输氢价格特别贵，我们想到了一个比较好的策略，从就地生态保护来说，产生的氢气能不能直接转化为有效的氨，作为氨肥，进行绿色生态保护，以及更好地与农业进行结合。

氢氧分离技术还需要国内更多的同行来进行深入的沟通和交流，我们团队也在进行尝试。新能源的产生到能源的存储，目前用得比较多的还是电化学储能，在考虑非常安全的储能体系下，未来水系氢离子是未来可期的方向。通过测算，以1兆瓦电池来配储，比如配20%，一般来说水系以65%-70%的区间来计算，65%水系储能电池在一天之内充电按照110%的充放来算，不算过充，它可以产生氢气达到30公斤，这是非常高的，还不考虑过充情况，从过充情况来说，纯粹就像一个电解水设备了。如果能够开发出一个价格低廉，非常有效的氢气和氧气分离膜设备或者高分子膜，那就可以有效的把氢气收集起来，从而可以达到能量的最优化配储。

从未来前景规划来看，光伏和风电包括新能源转换的看法有两条路线，一是现有路线，光伏风电配相对安全的水系储能，这个过程尽量加氢氧分离，这样可以使得能量效率最大化，而且这套体系在未来的加氢站上用最合适不过了，本身就要电解水产生氢气，同时产生的电力配这样体系可能会更好一些；二是太阳光直接制氢，经过氢氧分离，与制氨工业进行更有效地结合，对绿色生态和永续发展做出贡！