光伏驱动盐水电解槽用于可持续作物灌溉与集成二氧化碳减排的案例研究

《Renewable Energy》：Photovoltaic-Powered Saline Electrolyzers for Sustainable Crop Irrigation and Integrated CO2 Mitigation: A Case Study

　　

本研究展示了一套由太阳能驱动、集成氯碱电解过程的可持续灌溉系统的台架规模验证，该系统同时实现制氢与二氧化碳捕集。一套额定功率100 Wp的光伏面板直接驱动盐水电解槽，生成氢气与氢氧化钠。氢气经压缩后用于质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC），驱动一台模拟农业灌溉的7 W蠕动泵。氢气耗尽后，启动热力发动机，其产生的二氧化碳排放被富含氢氧化物的阴极液部分捕集。长期野外测试证实了系统的可行性：输入213.7 Wh的太阳能足以充满5个储氢罐。电化学性能显示法拉第效率较高（产氢效率>95%），氯气产率最高可达185 mg·Wh-1。氢氧化物产量峰值约为200 mmol，但受限于膜降解与氯气渗透，尤其在低电流密度下更为明显。采用恒定电流密度（50–150 mA·cm-2）的对比试验验证了制氢的可扩展性。燃料电池运行回收了约6%的输入能量，可维持灌溉长达2.5小时。氢气进料速率（约130 mL·min-1）保持在最佳规格范围内。二氧化碳捕集试验显示，在受控投加条件下可实现接近化学计量的碳酸盐生成；在实际尾气条件下，由于气体停留时间较短，捕集效率降至约2%，但碳酸盐总截留量有所增加。这些结果证明了该系统兼具清洁制氢与有效二氧化碳捕集的双重效用，为离网农业能源与碳管理提供了一种前景广阔的低排放解决方案。

研究背景与意义

在干旱与半干旱地区，农业用水短缺与水质盐渍化严重制约经济发展，气候变化进一步加剧了这一困境。传统农业灌溉依赖夜间作业以减少蒸发损失，常使用柴油泵或光伏直驱水泵。然而，光伏电力供给与灌溉需求存在时间错配，需要储能系统支撑。商用锂离子电池因热管理复杂及维护成本在农户中接受度低，而质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电解槽虽技术成熟，却需消耗大量高纯水并进行预处理，产生的浓盐水排放会加剧地下水盐渍化，面临政策限制。相比之下，盐水电解技术可直接利用非饮用水或苦咸水，虽技术成熟度较低，但结合氯碱工业经验具有巨大潜力。基于此，I?aki Requena-Leal、Miguel García-López、Justo Lobato与Manuel A. Rodrigo等研究人员在《Renewable Energy》发表研究，旨在开发一套集成光伏盐水电解、氢能存储及二氧化碳捕集的离网灌溉原型系统，解决能源存储与水处理难题，并探索其双重环境效益。

主要关键技术方法

研究人员构建了台架规模的集成原型系统，包含100 Wp光伏阵列、盐水电解槽、氢气压缩机、质子交换膜燃料电池及混合动力蠕动泵。实验于2025年5月27日在西班牙卡斯蒂利亚-拉曼查大学实验室屋顶（北纬38.995°，西经3.921°）进行实地测试。系统运行分为两个阶段：日间利用光伏电力驱动电解槽，将生成的氢气压缩储存于4 bar的钢瓶中，同时产生氢氧化钠与氯气；夜间优先使用储存的氢气通过燃料电池驱动灌溉泵，氢气耗尽后切换至硝基甲烷热力发动机驱动，并将尾气通入阴极液吸收塔进行二氧化碳捕集。研究设置了两种供电模式对比：光伏直驱与电网恒流供电（50、100、150 mA·cm^-2）。通过监测电压、电流、气体产量、溶液pH及离子浓度，评估系统的电化学性能、能量转换效率及碳捕集能力。

研究结果

1. Introduction

研究指出，离网农业场景下的能源存储是核心痛点。传统电池储能效率低且维护难，PEM电解水制氢对水源要求苛刻。盐水电解利用丰富的非饮用水资源，虽处于较低技术成熟度（Technology Readiness Level, TRL），但其副产物氢氧化钠为后续碳捕集提供了可能，构成了“能源-水-碳”协同治理的新思路。

2. Materials and methods

详细阐述了实验装置的构成。系统包含电解槽堆、燃料电池堆、氢气管路、吸收塔及由Arduino控制的控制单元。实验模拟真实葡萄园灌溉周期，日间（光照期）制氢储能，夜间（低温低蒸发期）释能灌溉。

3. Results and discussion

系统运行与产氢性能：在典型夏日工况下，系统接收213.7 Wh太阳能，成功充满5个储氢罐。法拉第效率均超过95%，且随电流密度增加而提升。氢气产率为6–8 mg·H₂·Wh^-1。

氯碱联产特性：电解过程中，阴极液pH显著升高，生成氢氧根离子（OH^-），峰值达200 mmol。阳极产生氯气，产率随电流密度增加从50%提升至85%以上，最高达185 mg·Cl₂·Wh^-1。研究发现低电流密度下，氯气渗透（Crossover）现象显著，导致阴极氢氧化物产量低于预期，并引发膜性能衰减。

燃料电池与灌溉效能：储存的氢气在燃料电池中转化电能，以约130 mL·min^-1的流速稳定输出，驱动7 W泵运行2.5小时，能量回收率约为6%。虽然该值低于传统电池，但考虑到氢能的长周期存储优势及副产物价值，其在特定场景下具备竞争力。

二氧化碳捕集表现：利用阴极液中的氢氧化钠进行碳捕集试验。在模拟尾气（纯CO₂低流速）条件下，实现了近化学计量的碳酸盐转化；在实际发动机尾气（高流速）测试中，受限于气液接触时间与设备未优化，捕集效率约为2%，但证实了利用碱性电解液同步处理内燃机排放的可行性。

规模化考量：研究明确指出，台架数据不能直接线性放大。电化学堆栈的面积扩大、热管理、光伏匹配策略及流体力学特性均存在非线性效应，但电流密度对选择性的影响规律及CO₂捕集的化学机理具有尺度不变性。

4. Conclusions

研究人员证实，光伏驱动盐水电解用于离网灌溉在台架规模上具备技术可行性。系统成功实现了太阳能到氢能的转换及利用，尽管能量回收效率（约6%）有限，且面临膜降解与氯气渗透的挑战，但其最大的创新在于整合了“制氢储能”与“CO₂原位捕集”双重功能。阴极液不仅作为电解质，还充当了碳汇，为减少农业机械碳排放提供了新途径。此外，副产物氯气可通过进一步反应转化为消毒剂次氯酸钠，增加系统的经济附加值。未来的研究应聚焦于开发耐氧化、抗渗透的新型隔膜，优化变光强下的运行控制策略，并通过中试规模验证其技术经济潜力。