海上风电制氢的现状和展望

史 铁，张玉广，宋时莉，冯永飞，张晓辉

（中国船舶集团有限公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027）

氢气作为一种能量载体，具有多种潜在应用，常规制氢以化石燃料为基础，会排放大量二氧化碳，随着电解和可再生能源技术取得重大进展，以合理的价格生产“绿氢”成为可能。此外，随着政府推动减少碳排放和降低对化石燃料的依赖，未来几年市场对“绿氢”的需求将大幅上升。在激励政策的帮助下，“绿氢”正在世界范围内进行重大研究。

风力发电约占世界电力的5%，大部分安装在陆上。然而，海上具有更高的风速和更一致的风，这意味着海上风机将产生更高的能量，但同时海上风电制氢技术也面临重大挑战。挑战之一是将电力输送回岸上，因为传统的交流电力电缆具有较高的电容，比架空线路的损耗更高，并且高压直流（HVDC）系统两端都需要换流站和价格昂贵的传输线。与通过海上电缆传输电力相比，管道输送天然气的损失（小于0.1%）要小得多，因此可以在海上生产氢气，并通过管道将其输送到岸上。从经济角度来看，海上管道的单位长度成本高于海上电缆，但管道的能量传输能力大于电缆，与传输相同能量的等效海上电缆相比，标准化管道投资成本更低。因此，海上风电制氢技术引起广泛关注。本文通过全面的文献综述回顾了与该主题相关的近期研究课题，目的是指出海上风电制氢的未来发展方向。

1 海上风电制氢场景

目前，海上风电制氢有两种系统配置。第一种系统配置由海上风电场、海上电解槽（见图1）和陆上储氢（用氢）设施组成。与第一种相比，第二种系统配置的区别在于电解槽（见图2）位于岸上。对于第一种系统，风力涡轮机产生的电力短距离传输到电解槽平台，在那里生产、压缩氢气并通过管道输送到岸边。对于第二种系统，电力通过传统电缆传输到岸上，在那里可以做出选择：直接向电网出售电力或生产氢气，这被称为混合系统。运营商可以控制出售给电网和送入电解槽的电量，甚至可以在极低电价期间从电网购买电力来生产氢气，从而提升电网运营商的负载灵活性。由于为电解槽供电的电力来源是风电场，因此在制氢过程中不会排放碳。

图1 海上电解槽场景示意图

图2 岸上电解槽场景示意图

2 海上风电制氢发展状况

欧盟每年的氢气产量约为9.75 Mt，大部分采用碳密集型方法生产，其中通过电解生产的氢气约占欧盟当前产量的10%。2020年，KAKOULAKI 等通过研究得出，欧盟有足够的可再生能源资源遍布各成员国，仅使用“绿氢”就可满足各国对氢气的需求。

海上风力发电主要有两种形式，即固定底部式风机和浮动式风机。2020年，固定底部式风机在欧洲安装了24 952 MW（装机容量），然而浮动式风机仅安装了62 MW。但是，大约80%的海上风资源位于超过60 m 深的水域，浮动式风机允许进入更深的水域，并且预计未来几年价格将迅速下降。研究报告对固定式和浮动式风电的平准化能源成本（）进行预测，结果表明，当前浮动式风电的为175 欧元/（MW·h），2050年降低到35 欧元/（MW·h）。GUSAIN 等通过开发大规模PEMEL 模型以及不同用例的模拟，研究电解槽的灵活性和寿命，结果表明，电解槽可以增加电网灵活性，寿命基本不受影响。

为确定风电制氢的最优容量配比，GARCIA 等研究发现，当风力涡轮机的标准风速与安装地点的平均风速的比值低于1.67 时，电解槽可充分利用涡轮机功率，但风力潜力并未得到充分发挥，当比值大于1.77 时，结果相反，为实现动态平衡，推荐的运行点应介于1.67 ～1.77。DINH 等以坐落在爱尔兰阿克洛海岸15 km 处的101.3 MW 风电场为例，开展海上风电制氢研究，结果显示，当销售价格为5 欧元/kg 时，若氢气储存天数分别为2 d、7 d、21 d 和45 d，则折现回收期分别为7.8年、8.6年、11.1年和16.2年。

XIAO 等基于丹麦的风电场，对比分析了海上风电场的三种应用情景：情景1 是将所有电力出售给电网；情景2 是将所有电力转换为氢；情景3 是电力在价格高时进入电网，在发生限电或电价低时转换为氢气（混合系统）。研究表明，与其他情景相比，由于大部分氢气在夜间生产，情景3 产生了更大的经济利益。CHRISTIAN 等为确定最合适的电解槽技术，分析比较不同的太阳能和风能绿色制氢方案，从经济角度来看，碱性电解槽最优，但纯水电解槽可充分地利用可再生资源。

3 结论

随着电解水制氢技术和可再生能源的快速发展，“绿氢”的成本竞争力迅速上升，预计未来几年可与化石燃料制氢竞争。与陆上风电相比，海上风电具有更高的风速且更加一致，使其成为更具吸引力的发电资源。此外，随着浮动式风力发电平台的发展，风电场可以放置在更深的水域，允许更多的地点进行发电。目前提出了两种基于海上风能的制氢系统，其不仅可以生产电力和氢气，还可以提供电网平衡服务。在第一种系统中，与海底电缆和配套电力电子设备相比，海底管道的成本更低。在第二种系统中，运营商可根据最经济可行的方式来选择出售电力或生产氢气，增加灵活性。文献证明，海上风电制氢的成本正在下降，该技术将朝着更便宜、更持久和更高效的方向发展。