深远海风电制氢技术发展与展望

深远海风电制氢技术发展与展望

　　乌木林刮风能吹倒吗,通风能吃啥,电风能纵观全球各国，大概率沿海地区经济发达，能源消费巨大，但是能源供给方式往往受到诸多限制。在双碳目标的带动下，发展海上风电能够缓解能源需求，十四五以来海上风电成为我国沿海各省实现能源转型的重要选项。

　　然而受到生态环境保护、交通航道占用等因素影响，近海风电项目的站址资源日趋紧张，而远海具有高风速、风向更为一致的风能储量，有利于建设大容量、高效率的远海风电场。

　　由于距离陆地遥远而且没有远海电力负荷可以消纳远海风电，远海风电场的能源如何经济地传输给陆上用户十分关键。前期我们对并网输电技术进行过较为详细的对比，这里我们思考另外一种能源利用方案，讨论深远海风电通过电解制氢进行消纳的技术发展与挑战。

　　2021年全球海上风电新增装机容量21. 1GW，是2020年的3倍多，海上风电总容量达到57GW。

　　2021年我国海上风电新增装机容量16. 90 GW，占全球海上风电新增装机总量的80%且超过2020年的国内累计装机容量，2021年国内累计装机容量达26. 39 GW，跃居世界第一。

　　氢能具有高能量密度、可储存运输、高转化效率、适用范围广和环保无污染等特点，被广泛认为是大规模转化剩余可再生能源电力的方式之一。

　　海上风电制氢既可以利用氢能储存电能以平抑海上风电输出的波动性，解决深远海电力输送成本高的问题，还可以利用海上风电较低的度电成本提高电解制氢的收益。

　　海上风电经交流或直流输电至岸上制氢系统主要由海上风电场、海上升压站、陆上变电站、陆上换流站、制氢站和交直电缆组成。海上风机输出的交流电,经海上升压站汇流升压后由交流海底电缆输送至陆上换流站,然后将交流电转换成直流电,再经由变电站将电能传输给岸上制氢站进行制氢，将水电解产生的氢气储存并运往各处。

　　其优点是具有较高的灵活性，制氢系统可以作为电网调峰的有效手段，在陆上完成氢气的制取和储运，也具有系统安装维护方便的优势。

　　但是在我国海上风电开发不断向远海深入的必然趋势下，海底电缆成本及海上升压站或换流站的建设运维成本不断增加，且在电力传输过程中存在一定的损耗。

　　对于海上高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电系统，考虑到不同的风电场容量和离岸距离，海缆损耗为2%~4%。相比之下，海上输气管道的传输损耗低于0.1%，同时，与传输相同能量的等效海缆相比，海上管道的建设成本更低。

　　分布式海上制氢+管道输氢方案，这种类型的海上电解设施由电解槽、冷却装置、海水淡化装置、氢气缓冲器（储罐）和为设施提供备用电源的电池系统组成。

　　海上风机输出交流电,经自带交直流变换装置转化为电解槽所需的直流电,然后直接经海上电解槽进行制氢,最后将氢气通过氢气管道输送至岸上运氢中转站。

　　这种类型的一个主要优点是，如果一个电解槽发生故障，则可以轻松地从其他风机继续生产氢气。

　　海上平台制氢及管道输氢系统,主要由海上风电场、海上换流站、海上制氢站、运氢中转站和输氢管道组成。海上风机输出交流电,经海上换流站转换成电解槽所需的直流电,然后通过电缆将直流电输送至海上制氢站进行制氢,最后将氢气通过氢气管道输送至岸上运氢中转站。

　　在海上集中式电解水制氢方案中，海上风电机组产生的电力通过风电场集电海缆汇集到海上电解水制氢平台，在该平台完成制氢后，经由输气管道传输至岸上。其优点是可以借助已有的海上油气平台或油气管道，将油气平台改造为制氢平台，有效降低项目投资成本。而在海上分布式电解水制氢方案中，不需要建设海上电解水制氢平台，取而代之的是在每台风电机组塔底平台上安装模块化的制氢设备，直接在风电机组侧制氢，产生的氢气通过小尺寸输气管道汇集到收集歧管，在这里压缩或直接通过更大直径管道传输至岸上。该方案最大程度地用输氢管道替换了海上输电设施，降低了能量送出成本，但风电机组侧模块化电解水制氢技术还有待进一步优化。

　　针对海上风电与电解水制氢之间关键技术，英国、德国、丹麦等欧洲国家以及美国、日本已进行了大量长期的研究，并实施了一系列海上风电耦合制氢示范工程。

　　其中Dolphyn项目，是由法国能源巨头Engie的子公司Tractebel海洋工程专业公司ODE （Offshore Design Engineering Limited）参与，计划在英国北海开发一个4GW的浮式风电场，采用10MW风机机型，在每台风机上都安装一个制氢子单元，最后通过管道外送，预计总投资超过120亿英镑（约合人民币1088亿元）。

　　项目预计在2035年全部建成投运，这是英国能源系统在未来彻底告别天然气的第一步。这个4GW的项目，有望为150万个家庭供应天然气。

　　如果建设30个这样的项目，就足够供应全英国的天然气了。这个项目最大的特色在于，风机完全独立于电网，完全不使用场内或外送电缆，也不需要海上制氢站。

　　欧洲也在开展一些氢能研究项目，如西班牙Ocean H2研究项目旨在设计和验证西班牙第一座用于产生、储存和分配绿色氢的海上工厂。

　　项目提出模块化、灵活和智能优化，以适应基于海上可再生能源发电的市场新范式，结合浮动风能和光伏技术。

　　该项目将研究海上混合发电系统的不同实施方案，评估整个氢气生产、储存和分配链的设计方案，以根据提议的新材料确定最具发展潜力的解决方案。

　　最终将在西班牙六个自治区（马德里、加那利群岛、安达卢西亚、坎塔布里亚、纳瓦拉和加泰罗尼亚）同步开发，带来技术协同效应。

　　目前我国的风电制氢项目与课题已经超过20个，但海上风电制氢项目较少，仅有少数几个科研课题及初步签约的项目。

　　中海油海上制氢工艺技术研究项目，2020年11月同济大学、中海油能源发展股份有限公司确立合作研究计划，该项目旨在研究设计和优化海上风电制氢的工艺流程，提出技术和经济可行性的边界条件。项目位于上海长宁区，主要进行：海上电解水制氢工艺方案选型及技术研究，海上风电与制氢设备匹配性研究，海上储氢、输氢技术等研究。

　　2021年8月中国船舶大船集团、中国科学院大连化学物理研究所、国创氢能科技有限公司、中国船舶集团海装风电股份有限公司确立海上风电制氢/氨产业链创新及产业化战略合作。

　　合作各方将以国家“碳达峰、碳中和”为战略目标，大船集团利用本地化优势及在海上氢/氨的制取、储运、应用装备的优势和能力，大连化学物理研究所利用制取氢/氨关键技术开发能力和优势，中国船舶集团海装风电股份有限公司利用本企业在风电开发领域的能力和实力，国创氢能科技有限公司利用在氢燃料电池领域的生产、技术成果转化的能力和优势聚焦海洋绿色能源开发及利用，密切合作，共同促进制氢、制氨、燃料电池及液氢/氨储运技术在船舶与海洋工程领域的创新应用与发展，共同推进海上风电制氢/氨及其储运技术与装备的研发及产业化，推动地方及我国绿色海洋经济发展。

　　海上风电制氢是解决海上风电大规模并网消纳难、深远海电力送出成本高等问题的有效手段，我国目前尚处于探索起步阶段，缺乏产业顶层设计、示范项目经验和成熟的商业模式，急需借鉴国际海上风电制氢发展战略规划和项目开发经验，因地制宜探索科学合理的海上风电制氢系统方案，开展关键核心技术的国产化攻关，完善海上风电制氢配套基础设施建设。

　　随着国内海上风电的进一步发展和风电制氢项目经验的积累，预计未来五年到十年海上风电制氢项目将迎来一个发展高潮。

　　2022年6月1日，国家发改委等九部门印发《“十四五”可再生能源发展规划》中明确提出了探索推进具有海上能源资源供给转换枢纽特征的海上能源岛建设示范，结合山东半岛、长三角、闽南、粤东和北部湾等重点风电基地开发，建设海洋能、储能、制氢、海水淡化等多种能源资源转换利用一体化设施。

　　我国作为海上风电大国、氢能应用大国、海洋资源大国，应当注重海上风电制氢的发展，通过更多的方式挖掘海洋资源潜力，并与氢能产业结合，从而解决“ 绿氢”来源问题，助力碳中和目标的实现。

　　借助风电制氢建立风储一体化系统，能够有效缓解海上风电快速增长和电网建设速度较慢之间的矛盾，解决海上风电消纳问题，提高风能利用率。

　　海上风电与氢能产业结合，可助力海上风电和绿氢产业发展，实现经济与社会、人与自然的可持续发展。