海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究

憲 凱

（華電重工股份有限公司，北京 100070）

海上風(fēng)電制氫是指利用海上風(fēng)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，通過電解水方式制取氫氣。作為一種綠色能源，氫氣具有能量高、綠色環(huán)保、無毒、無污染等優(yōu)勢，在交通運輸、電子工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、氣象科學(xué)、國防、航天、電網(wǎng)儲能調(diào)配等領(lǐng)域都有重要作用[1]。海上風(fēng)電制氫是促進我國未來各行各業(yè)能源轉(zhuǎn)型的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的提出，未來的能源主戰(zhàn)場是新型綠色能源，優(yōu)化新能源為核心的新型電力系統(tǒng)是社會綠色可持續(xù)發(fā)展的客觀要求，要想將新能源大規(guī)模應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，必須解決氫氣儲存問題[2]。我國是全球氫氣需求量和生產(chǎn)量第一大國，氫能源需求量會持續(xù)增長，未來海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展可期。

1 電解水制氫原理和技術(shù)分類

電解水制氫就是通過直流電的作用，將溶解在水中的電解質(zhì)分解成氫氣和氧氣。目前，電解水制氫技術(shù)主要有4 種，即堿性電解水、質(zhì)子交換膜電解水、陰離子交換膜電解水和固體氧化物電解水[3]，具體對比如表1 所示。從材料、性能、效率和成本來看，4 種電解水制氫技術(shù)都具有獨特的優(yōu)勢。其中，堿性電解水和質(zhì)子交換膜電解水的技術(shù)成熟度較高，它們已經(jīng)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，也是海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)主要使用的兩種技術(shù)手段[4]。

表1 電解水制氫技術(shù)對比

1.1 堿性電解水制氫

堿性電解水制氫技術(shù)就是在堿性電解質(zhì)場景下分解出氫氣和氧氣，電解質(zhì)一般為濃度30%的氫氧化鉀溶液或26%的氫氧化鈉溶液。該技術(shù)的陰極和陽極不使用貴金屬，成本低，商業(yè)化成熟度高，運行經(jīng)驗豐富，但其制氫效率低、性能差。

1.2 質(zhì)子交換膜電解水制氫

質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)就是在質(zhì)子交換膜固態(tài)電解質(zhì)和純水電解質(zhì)組成的場景下分解出氫氣和氧氣。該技術(shù)正處在逐步商業(yè)化發(fā)展階段，相比堿性電解水制氫技術(shù)，它具有安全性高、效率高、性能高等優(yōu)點，但電解槽需要在強酸和高氧化性場景內(nèi)工作，需要價格昂貴的金屬材料作為基礎(chǔ)介質(zhì)，如銥、鉑、鈦等，所以成本控制不夠完善。另外，質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)在有特殊要求的場景下更具優(yōu)勢，我國大量新建電解水制氫項目已經(jīng)開始選用該技術(shù)，未來，商業(yè)化滲透率會持續(xù)增大。

1.3 陰離子交換膜電解水制氫

陰離子交換膜電解水制氫技術(shù)正處于材料研發(fā)階段，技術(shù)還不夠完善。技術(shù)目標(biāo)是將堿性電解水制氫的低成本與質(zhì)子交換膜電解水制氫的高效率完美融合，避免電解槽在強酸和高氧化性場景內(nèi)工作時使用貴金屬材料，但目前技術(shù)還不夠穩(wěn)定，材料傳導(dǎo)性差，使用壽命較短。

1.4 固體氧化物電解水制氫

目前，固體氧化物電解水制氫技術(shù)處于規(guī)模化量產(chǎn)前的工藝優(yōu)化階段。電解槽工作溫度為700～900 ℃，可以使用廉價的鎳作為陽極。高溫場景下，電解槽進料為水蒸氣，其中加入CO2產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成H2和CO 混合燃料，它可直接應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，這是該技術(shù)的未來發(fā)展方向。

2 海上風(fēng)電制氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)模式

布置電解槽是海上風(fēng)電制氫站建設(shè)的基礎(chǔ)，這就需要優(yōu)先考慮風(fēng)能資源豐富的區(qū)域和靠近氫能源商業(yè)消費市場的區(qū)域。待確定電解槽建設(shè)位置后，要規(guī)劃設(shè)計海上電纜鋪設(shè)方案。目前，海上風(fēng)電制氫的產(chǎn)業(yè)模式主要有4 種，即海上風(fēng)電并網(wǎng)陸上制氫、海上風(fēng)電并網(wǎng)余電制氫+燃料電池發(fā)電反向并網(wǎng)、離網(wǎng)海上中心平臺制氫、離網(wǎng)海上風(fēng)機+一體化電解槽制氫[5]。海上風(fēng)電制氫過程中，要做好氫氣運輸和儲存。

2.1 海上風(fēng)電制氫的氫氣運輸

氫氣運輸是一個高度危險的過程，這就需要科學(xué)設(shè)計運輸方案。天然氣管道摻氫運輸是大規(guī)模運輸氫氣的有效手段，特別適用于深海、鋪設(shè)海纜運輸電力已不具備經(jīng)濟價值的海上風(fēng)電制氫項目。但是，受管道材質(zhì)、使用壽命、氫氣占比、管道壓力、摻入元素和外界環(huán)境等因素影響，氫氣摻入天然氣管道后會滋生安全隱患，天然氣管道系統(tǒng)的壓縮機、閥門、控制器等構(gòu)件可能發(fā)生氫脆、泄漏和滲透等問題。天然氣管道摻氫運輸在很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)投入使用，技術(shù)完善，我國目前還處于初步發(fā)展階段，重點研究方向為深海遠(yuǎn)距離天然氣摻氫運輸管道。為避免氫氣運輸過程出現(xiàn)安全隱患，首先要考慮管道材質(zhì)，選用強度等級高的鋼材，保證天然氣摻氫管道的使用壽命，避免發(fā)生氫脆現(xiàn)象。海上天然氣管道摻氫運輸是深海氫氣運輸行之有效的方法，是我國海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)進軍深海的重要基礎(chǔ)保障，也是解決氫氣消納問題的重點研究方向。相比離岸近、鋪設(shè)海纜傳輸電力具有經(jīng)濟價值的海上風(fēng)電制氫項目，深海海上風(fēng)電制氫項目的氫氣運輸手段更加繁雜，難度系數(shù)更大。我國科研人員需要結(jié)合已有的氫氣運輸項目經(jīng)驗及海上天然氣物質(zhì)組成特性，不斷深入研究，減小摻入氫氣對管道的不良影響。

2.2 海上風(fēng)電制氫的氫氣儲存

海上風(fēng)電制氫是消納海上風(fēng)電的有效途徑，相比電力，氫氣更加容易儲存，運輸成本較低，它是海上風(fēng)電參與電網(wǎng)調(diào)峰的有效手段。但是，氫氣體積密度較低，海上風(fēng)電制氫面臨環(huán)境復(fù)雜、建設(shè)難度大、成本高、安全系數(shù)低和技術(shù)不成熟等問題，導(dǎo)致氫氣存儲能力受到限制，儲氫的空間成本很高，氫氣的高效存儲和經(jīng)濟存儲是海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)急需攻克的問題。目前，我國重點研究的儲氫方法有兩種，即海底鹽穴儲存氫氣和海上廢棄油氣田儲存氫氣。

2.2.1 海底鹽穴儲存氫氣

海底鹽穴就是鹽礦開采后留下的海底洞穴，在高溫高壓的條件下，洞穴內(nèi)的鹽可以將內(nèi)部裂縫自動填補愈合，經(jīng)過一段時間后，海底鹽穴就會形成很好的密封空間，其具有體積大、成本低、密封性好、安全性高等優(yōu)點，可應(yīng)用于石油、天然氣和氫氣等能源的儲存。海上風(fēng)電制氫產(chǎn)生氫氣，當(dāng)陸地上有氫氣需求時，利用天然氣管道摻氫手段將其運送到陸地上，直接用于商業(yè)消費，當(dāng)氫氣產(chǎn)生量供大于求時，可以利用海底鹽穴儲存氫氣，當(dāng)求大于供時，再將海底鹽穴儲存的氫氣及時送出，起到很好的調(diào)峰作用。但是，海底鹽穴儲存氫氣會受海底地質(zhì)構(gòu)造的影響，技術(shù)成熟度還不足以支持全面推廣應(yīng)用。海底鹽穴儲存氫氣，大量氫氣高頻率灌入或抽送時，可能會發(fā)生井筒材料破裂、洞穴結(jié)構(gòu)損壞等現(xiàn)象，相關(guān)技術(shù)還需要不斷完善。

2.2.2 海上廢棄油氣田儲存氫氣

海上油氣開采需要建設(shè)大量的海上開發(fā)設(shè)施，廢棄處置是油氣田開發(fā)的最終環(huán)節(jié)，海上油氣田停止生產(chǎn)作業(yè)后，如果沒有其他合理用途，必須進行廢棄處理。海上廢棄油氣田具有存儲量大、經(jīng)久耐用、安全性高等優(yōu)點，所以，海上廢棄油氣田可應(yīng)用于海上風(fēng)電制氫的氫氣儲存，該方法具有很大的經(jīng)濟優(yōu)勢，但技術(shù)還不夠成熟。與海底鹽穴儲存氫氣相比，廢棄油氣田的內(nèi)部會存在很多殘留氣體，如CH4、H2、CO2等，如果氫氣儲存其中，就會影響氫氣的品質(zhì)和后續(xù)的直接利用，但如果能夠得到有效的利用，未來將有越來越多的枯竭油氣田變?yōu)閮Υ鏆錃獾膶毢J，這將成為海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新支撐。

3 結(jié)語

可再生能源的有效開發(fā)是社會可持續(xù)發(fā)展的強大助力，隨著海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，綠氫新能源未來是可以和化石燃料競爭的存在。相比陸地風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)力發(fā)電具有更加豐富且一致的風(fēng)力資源，發(fā)電系統(tǒng)具有更高的應(yīng)用效率和性能，特別是近年來我國已經(jīng)向更深的海域開發(fā)，應(yīng)用于建設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的區(qū)域十分廣闊。目前，海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)為質(zhì)子交換膜電解水制氫，我國已經(jīng)開發(fā)出單堆1 000 kW 的質(zhì)子交換膜電解槽，很多新建海上風(fēng)電制氫基地已經(jīng)開始投入使用，商業(yè)化效果十分顯著，但應(yīng)用成本依然偏高。未來，科研人員要持續(xù)推進技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)出低成本、高效率、高性能、壽命長、低電耗的海上風(fēng)電制氫技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)模式，做好氫氣運輸和儲存，最終實現(xiàn)海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。