海上風(fēng)電制氫是未來綠氫生產(chǎn)的主力軍之一。近年來，我國海上風(fēng)電迅速發(fā)展，2021年新增裝機容量為1690萬千瓦，累計裝機容量達(dá)到2638萬千瓦，接近全球海上風(fēng)電累計裝機容量的一半，位居世界首位。海上風(fēng)電與制氫相融合，有望成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展的重要模式，具有良好的推廣應(yīng)用前景。
海上制氫技術(shù)
海上制氫通常利用電解槽通過水電解制氫。水電解制氫主要分為質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEM)、堿性水電解制氫(ALK)、固態(tài)氧化物水電解制氫(SOEC)3種技術(shù)路線。主流水電解制氫技術(shù)對比如表1所示。固態(tài)氧化物水電解制氫效率最高，但電極材料穩(wěn)定性低，且工作溫度較高，致使電解槽壽命較短，目前僅處于初期研究階段。因此，可用于海上的水電解制氫技術(shù)主要是質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEM)技術(shù)以及堿性水電解制氫(ALK)。
質(zhì)子交換膜電解制氫具有啟動快速、電解槽體積小、電流密度高、輸出壓力高等特點。目前，國際上PEM水電解制氫已邁入10MW級別示范應(yīng)用階段。國內(nèi)PEM水電解制氫的規(guī)模較小，仍處于從研發(fā)向工業(yè)化邁進(jìn)的初期階段，與國外仍存在一定的差距，主要體現(xiàn)在功率等級、壽命、關(guān)鍵原材料自主化和系統(tǒng)成本等方面。預(yù)計在未來幾年中，PEM水電解制氫技術(shù)有望通過降低貴金屬含量或開發(fā)低成本材料等方法，實現(xiàn)成本效益和廣泛應(yīng)用。
堿性電解水(ALK)制氫因其成本和壽命的優(yōu)勢，是當(dāng)前最成熟、市場應(yīng)用最廣泛，適用于規(guī)?；迫【G氫的制氫技術(shù)，但仍存在電流密度低、工作壓力較低、電解能耗高等問題。國內(nèi)外均開展了高效大功率ALK制氫關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)備研制工作，我國的堿性電解水(ALK)制氫技術(shù)較為成熟，在自主化和先進(jìn)性上均達(dá)到世界一流水平，目前正在積極推進(jìn)大產(chǎn)氣量的制氫設(shè)備的研制工作。
海上制氫電解槽設(shè)備應(yīng)滿足海洋環(huán)境條件下的防腐蝕要求和惡劣工況條件，在一定外界條件下正常制取、儲存和輸送，如制氫平臺的運動、風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定供應(yīng)、儲運的條件等。能夠保證極端條件下的關(guān)斷與保護，如極端天氣、意外事故等。雖然傳統(tǒng)堿性水電解制氫技術(shù)具有設(shè)備國產(chǎn)化程度高、技術(shù)成熟度高、成本較低等優(yōu)點，但是面對風(fēng)電、光伏等發(fā)電波動性和隨機性較大的電源及深遠(yuǎn)海域環(huán)境惡劣、長期無人值守的特點，PEM水電解制氫技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢。PEM水電解制氫電流密度高(額定工況下2～3A/cm2)，靈活，利于快速變載；只需對空氣濾網(wǎng)和凈水器濾芯、干燥劑等進(jìn)行定期更換，全年維護時間小于8h，維護費用少，電池堆10年無需大修。這些優(yōu)點使其更加適合與海上風(fēng)電耦合組成海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)。
海上氫儲運技術(shù)
氫氣具有重量輕、密度小、可液化、可與金屬及有機物發(fā)生化合反應(yīng)等特點，可以通過海底管道或?qū)Ｓ么暗冗\輸載體，以高壓氣氫、液氫、有機液態(tài)氫(LOHC)、固態(tài)儲氫等多種形態(tài)儲運。具體氫儲運方式需要綜合運輸距離、地理位置和終端應(yīng)用等因素來決策。主流的儲氫技術(shù)主要包括低溫液態(tài)儲氫、高壓氣態(tài)儲氫以及金屬固態(tài)儲氫3種。
高壓氣態(tài)儲氫因為其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、充放氫速度快、技術(shù)相對成熟、壓縮氫氣能耗低等優(yōu)點，是現(xiàn)階段技術(shù)最為成熟也是相對經(jīng)濟的儲氫方式。高壓氣態(tài)儲氫可以采用不同結(jié)構(gòu)類型或材料的高壓氣瓶作為容器，其主要問題是儲存能力有限，且金屬氣瓶重量大，易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。因此，采用碳纖維、樹脂等非金屬材料實現(xiàn)儲氫氣瓶的高壓力和輕量化是目前的研究熱點，其關(guān)鍵是要探明氣瓶材料的氫及服役環(huán)境介質(zhì)相容性。國內(nèi)外均已具備成熟的設(shè)計制造能力，但尚缺乏高壓儲氫系統(tǒng)在海上環(huán)境的應(yīng)用和示范。
固態(tài)儲氫具有安全高效、制儲一體、體積密度高、設(shè)備輕便等優(yōu)點。應(yīng)用研究較多的是合金儲氫。綜合考慮儲氫材料成本、使用可靠性等方面因素，鈦鐵合金儲氫研究最為廣泛。但是仍處在起步階段，成熟度不高，曾用于潛艇等軍工領(lǐng)域，商業(yè)化應(yīng)用仍存在高工作溫度/壓力、脫氫不完全、催化劑價格高等難題。
低溫液態(tài)重量儲氫密度較高，儲氫量大，適用于規(guī)?；h(yuǎn)距離儲運場景。國外的氫液化技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)已很成熟，已商業(yè)化應(yīng)用。美國等發(fā)達(dá)國家氫液化技術(shù)較為成熟，正通過對氫液化流程的創(chuàng)新，以及設(shè)備工藝及效率的提升等方法來降低能耗。國內(nèi)氫液化裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、制造水平及系統(tǒng)能耗與國外技術(shù)相比還存在很大差距，需要突破低溫工況材料的選用，氫、氦透平膨脹機研制和正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑等技術(shù)難題。
3種氫能儲存技術(shù)對比如表2所示。相比于陸地環(huán)境，海洋環(huán)境具有空間有限，高溫、高濕、高鹽、高紫外線等易腐蝕特點，在易腐蝕環(huán)境和浮式平臺運動工況下儲氫系統(tǒng)的安全性和可靠性與海洋環(huán)境適用性，還有待進(jìn)一步驗證。
海上氫能的輸送包括海底管道和專用船舶運輸兩種方式。海底管道輸送氫氣可借鑒較為成熟的天然氣管道技術(shù)。但相比天然氣管道，氫氣管道的技術(shù)要求及建造成本更高。主要因為氫脆或氫腐蝕會對管道鋼材料產(chǎn)生不利影響，需要增加安全裕度，如利用已有的天然氣管道系統(tǒng)輸送氫氣，還需對天然氣摻氫比例進(jìn)行研究；對于船舶運輸氫能，可將制備的氫氣以氣態(tài)或液體存儲到氫瓶組中，由運輸船海運到碼頭氫氣轉(zhuǎn)運場地，供陸上使用和消納。
氫氣經(jīng)過低溫液化后，其密度為常溫、常壓下氣態(tài)氫的845倍，能量密度更高，因此氫氣以液體形式大規(guī)模運輸具有較高的工程應(yīng)用價值。但由于液氫沸點很低，需要帶有絕熱系統(tǒng)的特殊容器，對液態(tài)氫的儲存罐組要求較高。遠(yuǎn)距離大規(guī)模海上輸氫能力成為海上制氫發(fā)展的重要制約因素。可借鑒現(xiàn)有LNG大型運輸船薄膜型、B型艙及C型艙分類，開展適用于大型液氫運輸船的艙型或罐型技術(shù)路線分析，研究大型液氫圍護系統(tǒng)艙型及結(jié)構(gòu)形式設(shè)計方案，綜合考慮結(jié)構(gòu)形式及絕熱系統(tǒng)之間的相互影響，研制專門的大型氫能運輸船舶。
海上制儲氫裝備
海上制儲氫裝備是指承載海上制氫設(shè)備、儲氫設(shè)備以及海上風(fēng)機(如有時)的海上結(jié)構(gòu)物，用于抵抗風(fēng)、浪、流等外部惡劣海洋環(huán)境條件和生產(chǎn)功能載荷，為人員和設(shè)備提供保護。海上制氫裝備可以分為固定式結(jié)構(gòu)和漂浮式結(jié)構(gòu)。固定式海上制氫裝備主要指利用樁或其他形式將結(jié)構(gòu)生根于海床，從而將載荷傳遞至海床，可分為單樁式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架式基礎(chǔ)、負(fù)壓筒式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)以及高樁承臺等結(jié)構(gòu)型式；漂浮式海上制氫裝備主要指結(jié)構(gòu)漂浮于海面，利用系泊系統(tǒng)進(jìn)行位置固定并抵抗外部載荷，可分為半潛式基礎(chǔ)、駁船式基礎(chǔ)、立柱式基礎(chǔ)及張力腿式基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)型式。未來可能的主要海上制氫裝備結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。
海上制儲氫裝備集可再生能源、氫氣制取、氫能存儲等功能于一體，對設(shè)計提出了很大的挑戰(zhàn)。海上制氫裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計需綜合考慮作業(yè)水深，所遭受的環(huán)境載荷，極端條件下的結(jié)構(gòu)抗力，如臺風(fēng)、地震、海冰等條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；作業(yè)狀態(tài)下功能載荷的影響，還需計及與環(huán)境載荷的耦合效應(yīng)，如風(fēng)機載荷氣動與波浪載荷水動的耦合作用，漂浮式基礎(chǔ)還需考慮錨泊的恢復(fù)效應(yīng)等；氫氣作為可燃可爆氣體，需考慮設(shè)備的總體布置和防火防爆設(shè)計，液體氫應(yīng)注意低溫對材料、安全的不利影響，必要時進(jìn)行失效模式與后果風(fēng)險分析等；綜合評估制儲氫裝備與制儲氫設(shè)備的相互影響，如漂浮式基礎(chǔ)的運動響應(yīng)對風(fēng)機、制氫設(shè)備、動態(tài)電纜等的影響，必要時應(yīng)提出對漂浮式基礎(chǔ)的運動限制。功能設(shè)備產(chǎn)生的載荷對制氫裝備結(jié)構(gòu)強度也會產(chǎn)生一定影響，條件允許時應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的一體化耦合分析設(shè)計。
總體上講，上述海上制儲氫裝備的結(jié)構(gòu)型式在傳統(tǒng)海洋油氣行業(yè)的應(yīng)用較為成熟，但在海上制氫領(lǐng)域才逐步開展應(yīng)用，需要考慮特殊的載荷效應(yīng)和不同的應(yīng)用場景。但成熟技術(shù)的移植可為海上制氫裝備設(shè)計提供很好的借鑒和思路。
選擇何種型式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要取決于離岸距離、水深、海底條件、海況條件以及成本等多方面因素。海上制儲氫裝備主要結(jié)構(gòu)形式對比如表3所示。在40m以下水深海域，裝備采用固定式單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最為經(jīng)濟，國內(nèi)外約有80%以上的海上風(fēng)電機組采用此類結(jié)構(gòu)；水深超過60m時，固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受波浪載荷巨大，且最低固有頻率接近主波浪頻率，很難滿足設(shè)計要求，經(jīng)濟性比較差，因此大水深海域宜采用漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。具不完全統(tǒng)計，隨著作業(yè)位置水深的不斷增加，建設(shè)成本占投資總成本的比例也大幅增加，因此，海上制氫裝備的合理選型與優(yōu)化設(shè)計不可忽視。
海上制儲氫方案
海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)主要由海上風(fēng)電系統(tǒng)、水電解制氫系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、氫運輸系統(tǒng)組成。根據(jù)各系統(tǒng)所處的位置不同，大致可分為3種解決方案：一是海上風(fēng)電陸上制氫方案，如圖2所示；二是海上集中式水電解制氫方案，如圖3所示；三是海上分布式水電解制氫方案，如圖4所示。
海上分布式水電解制氫方案
海上風(fēng)電陸上制氫方案中，電力在海上經(jīng)升壓站、海底電纜等設(shè)施輸送至陸上制氫。其優(yōu)點是制氫系統(tǒng)安裝與維護方便，空間限制較小，環(huán)境相對溫和，制氫系統(tǒng)可以作為電網(wǎng)調(diào)峰的有效手段。但隨著離岸距離的增加，海底電纜及海上升壓站或換流站的成本不斷增加，加之電力傳輸過程中存在的損耗，經(jīng)濟性逐漸變差。
海上集中式水電解制氫方案中，電力通過海纜匯集到海上制儲氫裝備上，集中制氫并適當(dāng)存儲，再利用船舶或海底管道運輸?shù)桨渡?。其?yōu)點是不受水深限制，不用建設(shè)海上升壓站；也可借助已有海上油氣平臺或油氣管道，將油氣平臺改造為制氫平臺，有效降低項目投資。該方案可實現(xiàn)深遠(yuǎn)海大規(guī)模風(fēng)電制氫，是未來海上制氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重要方向。
海上分布式水電解制氫方案中，在每臺風(fēng)電機組平臺上集成安裝模塊化的制氫設(shè)備，直接制取氫氣，并通過輸氣管道傳輸至岸上。該方案的優(yōu)點是不需要建設(shè)單獨的海上制氫裝備，節(jié)省了集中制氫平臺成本。但需要依賴豐富的海底輸氣管道完成輸氫，且風(fēng)機平臺空間狹小，制氫設(shè)備運行受到上部風(fēng)機影響較為明顯。因此，制氫設(shè)備的模塊化集成技術(shù)以及風(fēng)電制氫一體化耦合分析技術(shù)還有待進(jìn)一步驗證和優(yōu)化。
前景展望
我國海上風(fēng)電總規(guī)劃為166.386GW，因此，在我國進(jìn)行海上風(fēng)電制氫將有非常廣闊的電力來源；同時，利用海上風(fēng)電制備氫氣，并通過各類儲運技術(shù)送到氫能源市場，開發(fā)跨越電力輸送的渠道，為海上風(fēng)電和氫能發(fā)展提供了可行的思路，有利于國家能源安全。
現(xiàn)急需建設(shè)一批示范工程，完成大規(guī)模商業(yè)化、市場化和產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，這不僅能夠解決我國能源系統(tǒng)的矛盾和難題，還會創(chuàng)造出若干個新興產(chǎn)業(yè)，為實現(xiàn)我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級和快速發(fā)展提供新的思路，也有利于推進(jìn)經(jīng)濟體制深化改革，成為我國全面深化改革的重要抓手。
在國家規(guī)劃和業(yè)界技術(shù)進(jìn)步的助推下，海上風(fēng)電和氫能的發(fā)展道路會越來越寬廣。
結(jié)語
海上風(fēng)電制氫不僅為海上風(fēng)電發(fā)展帶來了巨大的發(fā)展空間，而且為電解水制氫提供了綠色能源，形成了零碳排放制氫技術(shù)路線，二者的結(jié)合可有力促進(jìn)實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。海上氫氣輸送和應(yīng)用的創(chuàng)新方案為海上風(fēng)電制氫的發(fā)展開拓了思路，用規(guī)?；瘧?yīng)用倒逼成本下降。國家的有力支持和政策導(dǎo)向為海上風(fēng)電制氫發(fā)展提供了政策保障。
海上風(fēng)電制氫將會帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，具有重要的理論研究價值和工程應(yīng)用意義。未來，隨著海上風(fēng)電裝機規(guī)模的不斷擴大以及電解水制氫技術(shù)的突破和成本的大幅下降，風(fēng)電制氫有望實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。因此，海上風(fēng)電制氫具有廣闊的發(fā)展前景。從技術(shù)角度看，風(fēng)電的隨機性、不穩(wěn)定性、波動性較大，而水電解制氫設(shè)備對電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高，頻繁的電力波動會對設(shè)備的運行壽命及氫氣的純度造成影響。因此，需要進(jìn)一步研究和探討如何進(jìn)行有效的電能匹配以及如何提高制氫設(shè)備的可利用率。此外，氫氣的儲存和運輸成本較高、氫氣儲運的安全性等都是制約氫能行業(yè)發(fā)展的瓶頸，儲運技術(shù)需進(jìn)一步深入研究。
原標(biāo)題：海上風(fēng)電制氫關(guān)鍵技術(shù)及突圍路徑
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