海上風(fēng)電制氫的現(xiàn)狀和展望

史 鐵，張玉廣，宋時莉，馮永飛，張曉輝

（中國船舶集團有限公司第七一八研究所，河北 邯鄲 056027）

氫氣作為一種能量載體，具有多種潛在應(yīng)用，常規(guī)制氫以化石燃料為基礎(chǔ)，會排放大量二氧化碳，隨著電解和可再生能源技術(shù)取得重大進展，以合理的價格生產(chǎn)“綠氫”成為可能。此外，隨著政府推動減少碳排放和降低對化石燃料的依賴，未來幾年市場對“綠氫”的需求將大幅上升。在激勵政策的幫助下，“綠氫”正在世界范圍內(nèi)進行重大研究。

風(fēng)力發(fā)電約占世界電力的5%，大部分安裝在陸上。然而，海上具有更高的風(fēng)速和更一致的風(fēng)，這意味著海上風(fēng)機將產(chǎn)生更高的能量，但同時海上風(fēng)電制氫技術(shù)也面臨重大挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一是將電力輸送回岸上，因為傳統(tǒng)的交流電力電纜具有較高的電容，比架空線路的損耗更高，并且高壓直流（HVDC）系統(tǒng)兩端都需要換流站和價格昂貴的傳輸線。與通過海上電纜傳輸電力相比，管道輸送天然氣的損失（小于0.1%）要小得多，因此可以在海上生產(chǎn)氫氣，并通過管道將其輸送到岸上。從經(jīng)濟角度來看，海上管道的單位長度成本高于海上電纜，但管道的能量傳輸能力大于電纜，與傳輸相同能量的等效海上電纜相比，標準化管道投資成本更低。因此，海上風(fēng)電制氫技術(shù)引起廣泛關(guān)注。本文通過全面的文獻綜述回顧了與該主題相關(guān)的近期研究課題，目的是指出海上風(fēng)電制氫的未來發(fā)展方向。

1 海上風(fēng)電制氫場景

目前，海上風(fēng)電制氫有兩種系統(tǒng)配置。第一種系統(tǒng)配置由海上風(fēng)電場、海上電解槽（見圖1）和陸上儲氫（用氫）設(shè)施組成。與第一種相比，第二種系統(tǒng)配置的區(qū)別在于電解槽（見圖2）位于岸上。對于第一種系統(tǒng)，風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生的電力短距離傳輸?shù)诫娊獠燮脚_，在那里生產(chǎn)、壓縮氫氣并通過管道輸送到岸邊。對于第二種系統(tǒng)，電力通過傳統(tǒng)電纜傳輸?shù)桨渡?，在那里可以做出選擇：直接向電網(wǎng)出售電力或生產(chǎn)氫氣，這被稱為混合系統(tǒng)。運營商可以控制出售給電網(wǎng)和送入電解槽的電量，甚至可以在極低電價期間從電網(wǎng)購買電力來生產(chǎn)氫氣，從而提升電網(wǎng)運營商的負載靈活性。由于為電解槽供電的電力來源是風(fēng)電場，因此在制氫過程中不會排放碳。

圖1 海上電解槽場景示意圖

圖2 岸上電解槽場景示意圖

2 海上風(fēng)電制氫發(fā)展狀況

歐盟每年的氫氣產(chǎn)量約為9.75 Mt，大部分采用碳密集型方法生產(chǎn)，其中通過電解生產(chǎn)的氫氣約占歐盟當(dāng)前產(chǎn)量的10%。2020年，KAKOULAKI 等通過研究得出，歐盟有足夠的可再生能源資源遍布各成員國，僅使用“綠氫”就可滿足各國對氫氣的需求。

海上風(fēng)力發(fā)電主要有兩種形式，即固定底部式風(fēng)機和浮動式風(fēng)機。2020年，固定底部式風(fēng)機在歐洲安裝了24 952 MW（裝機容量），然而浮動式風(fēng)機僅安裝了62 MW。但是，大約80%的海上風(fēng)資源位于超過60 m 深的水域，浮動式風(fēng)機允許進入更深的水域，并且預(yù)計未來幾年價格將迅速下降。研究報告對固定式和浮動式風(fēng)電的平準化能源成本（）進行預(yù)測，結(jié)果表明，當(dāng)前浮動式風(fēng)電的為175 歐元/（MW·h），2050年降低到35 歐元/（MW·h）。GUSAIN 等通過開發(fā)大規(guī)模PEMEL 模型以及不同用例的模擬，研究電解槽的靈活性和壽命，結(jié)果表明，電解槽可以增加電網(wǎng)靈活性，壽命基本不受影響。

為確定風(fēng)電制氫的最優(yōu)容量配比，GARCIA 等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)力渦輪機的標準風(fēng)速與安裝地點的平均風(fēng)速的比值低于1.67 時，電解槽可充分利用渦輪機功率，但風(fēng)力潛力并未得到充分發(fā)揮，當(dāng)比值大于1.77 時，結(jié)果相反，為實現(xiàn)動態(tài)平衡，推薦的運行點應(yīng)介于1.67 ～1.77。DINH 等以坐落在愛爾蘭阿克洛海岸15 km 處的101.3 MW 風(fēng)電場為例，開展海上風(fēng)電制氫研究，結(jié)果顯示，當(dāng)銷售價格為5 歐元/kg 時，若氫氣儲存天數(shù)分別為2 d、7 d、21 d 和45 d，則折現(xiàn)回收期分別為7.8年、8.6年、11.1年和16.2年。

XIAO 等基于丹麥的風(fēng)電場，對比分析了海上風(fēng)電場的三種應(yīng)用情景：情景1 是將所有電力出售給電網(wǎng)；情景2 是將所有電力轉(zhuǎn)換為氫；情景3 是電力在價格高時進入電網(wǎng)，在發(fā)生限電或電價低時轉(zhuǎn)換為氫氣（混合系統(tǒng)）。研究表明，與其他情景相比，由于大部分氫氣在夜間生產(chǎn)，情景3 產(chǎn)生了更大的經(jīng)濟利益。CHRISTIAN 等為確定最合適的電解槽技術(shù)，分析比較不同的太陽能和風(fēng)能綠色制氫方案，從經(jīng)濟角度來看，堿性電解槽最優(yōu)，但純水電解槽可充分地利用可再生資源。

3 結(jié)論

隨著電解水制氫技術(shù)和可再生能源的快速發(fā)展，“綠氫”的成本競爭力迅速上升，預(yù)計未來幾年可與化石燃料制氫競爭。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有更高的風(fēng)速且更加一致，使其成為更具吸引力的發(fā)電資源。此外，隨著浮動式風(fēng)力發(fā)電平臺的發(fā)展，風(fēng)電場可以放置在更深的水域，允許更多的地點進行發(fā)電。目前提出了兩種基于海上風(fēng)能的制氫系統(tǒng)，其不僅可以生產(chǎn)電力和氫氣，還可以提供電網(wǎng)平衡服務(wù)。在第一種系統(tǒng)中，與海底電纜和配套電力電子設(shè)備相比，海底管道的成本更低。在第二種系統(tǒng)中，運營商可根據(jù)最經(jīng)濟可行的方式來選擇出售電力或生產(chǎn)氫氣，增加靈活性。文獻證明，海上風(fēng)電制氫的成本正在下降，該技術(shù)將朝著更便宜、更持久和更高效的方向發(fā)展。