水與氫的新模式
中國在山東省沿海城市日照啟用一座規模精巧、目標宏大的設施，將海水與工業廢熱轉化為兩種戰略資源：低成本淡水與綠氫。營運方表示，該廠每立方公尺淡水的生產成本約為人民幣2元，約合28美分，低於許多城市一般的自來水費率。設施也會副產高純度氫氣，並濃縮鹵水，供海洋化工產業使用。這座設施已連續運轉超過三週，這是證明新型水能整合系統可靠性的關鍵里程碑。
目錄
這項概念說來簡單，執行起來卻不容易。海水這一種原料，可產出三種產品。每年處理800噸海水，工廠可產出約450立方公尺超純水，可供工業冷卻或家庭使用；約19.2萬標準立方公尺綠氫；以及約350噸可銷售給化學品製造商的鹵水。據報導，氫氣每標準立方公尺約需耗電4.2度，符合現代電解槽的效能水準。日照設施的特點，在於利用附近鋼鐵與石化廠的低品位熱能降低水的成本；這些熱能通常會散逸到空氣或海洋中。
日照系統如何運作
這座工廠緊鄰能源密集型產業，後者會穩定產生低溫熱能。這些熱能推動分離程序，讓海水在相對較低的熱能門檻下轉化為極潔淨的水。符合這類條件的技術包括膜蒸餾與加濕除濕法，兩者都適合利用低溫熱能。部分淡水供用戶使用，部分則送入電解槽，將水分解為氫氣與氧氣。剩餘的濃縮鹵水可作為溴、鎂鹽與工業鹽等產品的原料，減少將濃縮鹵水排回海洋的需求。
低品位熱能為何重要
重工業會散失大量中低溫熱能，鋼鐵廠與煉油廠就是典型例子。回收這些熱能來製水，可避免海水淡化額外耗電。在沿海工業園區，海水充足、廢熱豐沛，冷卻需求也持續存在。將海水淡化與電解製氫設施設於大型熱源旁，可同時降低營運成本與碳排強度，也能減少對市政供水的依賴，緩解當地含水層與河川的壓力。
能源數據代表什麼
氫氣的能源消耗常以每公斤所需電量表示。1標準立方公尺氫氣約重九分之一公斤。以每標準立方公尺耗電4.2度計算，每公斤氫氣約需47度電，落在現代鹼性與質子交換膜電解槽的效能範圍內。日照的創新不在於電解槽效能特別突出，而在於將電解槽與利用廢熱運轉的海水處理線結合，降低成本與用水足跡。若要稱為綠氫，電力仍須是低碳電力；但熱能成本大幅降低，因為這些熱原本就會被白白浪費。
氫氣能直接從海水中製取嗎
直接海水電解，也就是讓電解槽直接使用海水、不另設海水淡化程序，是目前積極研究的方向。這種技術最適合離岸場域，風場與平台可在海上製氫，再透過管線或船舶送上岸。挑戰在於化學反應。海水含有大量氯離子、硫酸根與有機物。標準電解槽往往會使陽極偏向氯析出反應，導致零件腐蝕並產生不需要的氯氣。沙粒、生物附著與結垢也會縮短設備壽命。為了解決這些問題，研究團隊正測試可抵抗氯離子侵蝕的新型觸媒、能阻隔引發副反應之離子的多孔隔板，以及可避免氯氣進入反應區的設計。中國沿岸一項浮動式示範計畫已顯示，基於薄膜的系統可透過隔離出供電解使用的潔淨水層，同時從海洋取水，在惡劣海況下持續運作。
兩條路徑，一個目標
結合海洋與氫能，主要有兩種方式。第一種是先將海水淡化，再使用傳統電解槽。第二種是調整電解槽，使其能直接使用海水，或使用即時淨化至足夠潔淨的水。日照看起來是第一種方式的迷你版，但有所不同：水處理步驟不用大型電動泵浦與高壓逆滲透，而是利用鄰近工廠的熱能。離岸與偏遠風場可能偏好第二種方式，因為空間有限，維護也不容易；沿海工業園區則可能偏好第一種，因為有廢熱可用，而且產出的水與氫氣都能供產業使用。在實驗室與試驗廠中，耐腐蝕觸媒、新型薄膜與無膜概念正推動兩種方法持續發展。
從試驗廠走向產業：成本與規模
每立方公尺淡水定價人民幣2元，確實引人注目。這個數字低於許多城市的自來水費率，而且水質已達一定純化程度，許多工業用戶原本還得自行處理才能達到這個水準。水價降低，能讓水資源緊張省分的氫氣生產更具吸引力，因為製氫通常需要極潔淨的水，以保護電解槽。水與氫氣共同生產，也能將資本成本分攤到兩種產品；鹵水化學品的收入則可抵銷部分營運費用。
氫氣的電力成本取決於電源。以每公斤約耗電47度計算，若電價為每度3至5美分，電費約為每公斤1.40至2.35美元。設備、維護與融資成本會再增加總成本，而且各項成本差異很大。日照設施規模不大，卻為中國沿海地區提供了可擴大的範本。中國擁有密集的工業走廊，廢熱資源充足，因此山東、河北與江蘇的鋼鐵產業聚落等地，適合以更大型設備複製這項概念。
電力供應也在改善。超高壓輸電走廊目前將西部省分的大型風電與太陽能基地，連接到東部負載中心。新的輸電線路將甘肅新增的電力接入供應山東的電網。若能取得穩定的再生能源電力，未來擴大版的日照設施便能增設電解槽，在廢熱不足以滿足需求的時段，仍維持低碳製氫。
對水資源緊張地區的重要性
水資源稀缺時，氫氣的製造相當耗水。生產1公斤氫氣通常需要約9公升潔淨水。分析人士預期，未來十年新增的氫氣需求將需要數十億立方公尺淡水。若需求激增發生在乾旱地區，除非改用海水與廢水，否則將加重供水壓力。研究顯示，將海水淡化與電解製氫結合，並回收燃料電池與電解槽的廢熱，可讓總能源成本降低百分之幾。將水源轉移至沿海，並利用原本會被排放的熱能，可把內陸水資源留給農業與城市，同時略微降低能源投入。
環境設計仍不可忽視。若未妥善處理就排放鹵水，可能危害海洋生態系。日照模式透過將鹵水銷售給化學品製造商，降低這項風險並減少排海量。海水取水設計也須謹慎，以免傷害海洋生物。最佳做法是透過細網篩，以低流速取水，並將取水口設在魚類與魚苗較少的地點。這些都不是事後才考慮的細節，而是沿海工業園區要擴大結合海水淡化與電解製氫時，取得許可與社區支持的必要條件。
中國打造氫能技術生態系
日照這類計畫背後，是不斷擴大的製造業基礎與合作夥伴網絡。天津一家目前由歐洲企業完全控股的大型電解槽工廠，每年供應數百兆瓦的鹼性電解槽模組。該廠已升級自動化與品質系統，並已為一些全球最大型的營運中氫能計畫供應設備。完全控股意味著能更快調整設計、強化物流管理，並更妥善地確保全球訂單的品質。
HydrogenPro執行長Jarle Dragvik將這項轉變描述為配合大型計畫需求、調整產能的方式。
這是為了精簡營運，並建立具成本效益、可因應大型計畫的運作模式。
外國與本土業者正加強在中國海水淡化、再生能源與氫能領域的連結。一家全球水與能源開發商已在上海設立創新中心，與大學及實驗室合作發展太陽光電、風電、儲能、綠氫與海水淡化。中國企業也正輸出專業技術。一家企業正在埃及興建結合風電與太陽能的綠氫計畫，目標是出口氨。另一家則與沙烏地阿拉伯合作，設計大型氫轉氨工廠。這些動向顯示，相關供應鏈已能為國內外計畫提供設備、服務與營運專業知識。
接下來可能的發展
日照及類似工廠接下來要接受的考驗是時間。工程師將觀察熱驅動薄膜是否污堵、管線是否結垢，以及電解槽在廢熱供應不穩時啟停是否穩定。累積更多運轉時數，將有助於釐清實際維護需求與最佳運轉時段。在商業方面，整合水、氫氣與鹵水化學品三條產品線，可緩衝營收波動，並提升融資可行性。
兩條技術路徑的取捨也將更加明朗。直接海水電解或許適合搭配風力與波浪能的離岸場域，在那裡，簡單且精巧的設備更受重視。先淡化再電解，則可能適用於低品位熱能充足，且穩定需要高潔淨製程用水的地區。兩者的最終目標相同：以具競爭力的成本供應綠氫，同時不消耗稀缺的淡水資源。日照試驗廠展現了一種切實可行的路徑，並將產業目前白白浪費的熱能轉化為有用資源。
重點整理
- 山東日照一座沿海工廠利用工業廢熱，將海水製成淡水與綠氫。
- 據報導，淡水價格約為每立方公尺人民幣2元，氫氣能耗約為每標準立方公尺4.2度電。
- 每年處理800噸海水，可產出450立方公尺超純水、19.2萬標準立方公尺氫氣，以及350噸供海洋化工使用的鹵水。
- 利用低品位熱能進行海水淡化，可減少用電需求，並緩解市政供水壓力。
- 直接海水電解技術持續進展，但材料方面仍有挑戰，因此許多計畫仍偏好先淡化再電解。
- 中國的超高壓電網將新增風電與太陽能送往山東，為擴大電解槽規模提供支援。
- 天津的製造產能與上海新設的創新中心，展現氫能與海水淡化生態系持續擴大。
- 埃及與沙烏地阿拉伯的出口計畫，凸顯中國氫能與海水淡化專業技術的全球影響力。
- 沿海計畫擴大時，妥善設計取水口並管理鹵水，是保護海洋生物的必要措施。
