基于海上風電的海上制氫平臺方案研究

劉 佳

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海)

引言

能源綠色低碳發展和經濟社會發展的全面綠色轉型是實現“雙碳目標”的關鍵[1]。氫能作為一種來源廣泛、高能量密度的清潔能源，可以耦合電網、熱網和氣網的能源，是形成高效、安全、穩定的多能互補能源系統的理想能源品類，是未來實現碳中和的突破性解決方案[2]。

氫能作為一種重要的儲能介質，能量密度高，無污染，可實現大規模、跨季節、跨時段、跨地域的儲能，將成為促進可再生能源消納的有效方式。在能源轉型的背景下，可再生能源與氫能的融合正在成為趨勢[3]。

全球海上風電資源豐富，海上風電的迅速發展，推動了其與氫能的跨界合作。對于海上風電而言，融合氫能可以提高新能源的消納能力，是海上風電與其他行業的整合，也是除解決風電大規模并網之外的另一項重要探索[4]。

本研究基于耦合海上風電和氫能的發展理念，提出海上風電制綠氫方案。以海上制氫平臺為重點設計研究內容，探索海上風電聯合海上制氫平臺的融合發展模式。

1 海上制氫模式

如圖1 所示，海上制氫模式是將海上風機發的電力，通過集電線路傳送至海上制氫平臺，在制氫平臺將水電解后利用管道或儲氫瓶形式將氫氣輸送至陸地[5]。

圖1 海上制氫模式示意

結合現有技術發展及設備生產制造能力，海上制氫模式的實施存在以下難點：

（1） 海上環境條件相對惡劣，存在鹽霧等不利因素，缺乏制氫設備在海上的運行與維護經驗。

（2） 海上氫氣儲運困難，缺乏海底氫氣管道及海上平臺氫氣充裝運輸經驗。

（3） 海上施工作業困難。

（4） 需增加海水淡化設備。

伴隨海上風電逐步走向深海，大規模電力送出也面臨著技術和經濟的雙重考驗，由此通過海上制氫平臺集中制氫作為一種風電消納的解決方案，值得探索。本研究通過配套設計海上制氫平臺實現“風機發綠電，電解制綠氫”，對海上制氫平臺做出深入研究，在現有技術條件下，探索海上風電集中海上制氫的可行性。

2 制氫技術選擇

目前具備工程應用條件的水電解技術有堿性和質子交換膜兩種。

堿性電解是研發最早、最成熟的電解制氫技術，目前已有成熟的產業化基礎[6]。電堆成本較低，售價一般1 500～3 000 元/kW；系統制氫效率：60%～75%，現有成熟設備產氫規模可達1 300 Nm3/h；堿性電解技術存在制氫效率低、能耗大、存在滲堿環境污染等問題。同時，占地大、響應慢，與新能源匹配性較差。

質子交換膜水電解技術又稱PEM純水電解。PEM電解水制氫設備在全球多個地區已經開始商業化應用，但電堆成本較高，一般售價在10 000～12 000 元/kW，系統制氫的效率：70%～85%?，F有成熟的PEM電堆規模已達到5 MW，即產氫率1 000 Nm3/h。PEM制氫技術優點則是生命周期長、穩定性好、槽腐蝕性小、電解效率高、系統簡化、裝置結構緊湊、產氫純度高、氫氣出口壓力大、響應速度快[7]。

對比投資成本較低的堿水制氫技術[8]，PEM制氫因其自身的技術優勢，能夠更好適應海上風電的波動性，高度契合海上風電的融合發展。同時考慮節約用地和綠色環保等因素，海上制氫平臺推薦采用PEM制氫工藝路線。

3 制氫系統方案

選取典型的200 MW 海上風電場規模，根據近幾年中國風力發電的平均消納情況，選取3%的棄電率，并結合制氫產量規模和設備運行小時數等因素，綜合選取風電場容量的5%作為制氫電源，即配套制氫功率為10 MW，產氫規模2 000 Nm3/h。

采用PEM電解水制氫工藝，制氫系統主要包括制氫電源、電解槽、氣液分離及純化裝置、配套公用工程裝置及控制系統。結合制氫設備的選型，以集裝箱式設備和戶內敞開式設備為基礎考慮兩種PEM 制氫方案。

（1） 方案1：集裝箱式制氫設備

如圖2 所示，根據擬定的制氫規模及現有商業化的制氫設備性能參數，配置4 套500 Nm3/h PEM制氫裝置，總制氫規模2 000 Nm3/h，制氫側功率10 MW。

圖2 集裝箱式制氫設備示意

制氫系統采用集裝箱式模塊化設計，具備更好的密封性，在海上工況下，具備更強的防腐能力。單套500 Nm3/h 制氫系統由2 個40 尺集裝箱組成，分為公用工程集裝箱和制氫集裝箱。本研究2 000 Nm3/h 的制氫規模共配置8 個40 尺集裝箱。

公用工程集裝箱包含水處理、冷凍水系統和控制系統、整流變壓系統；制氫集裝箱布置電解槽、氣液分離系統、水精制和純化系統。

（2） 方案2：戶內敞開式制氫設備

如圖3 所示，根據擬定的制氫規模及戶內敞開式制氫設備性能參數，配置2 套1 000 Nm3/h PEM 制氫裝置，總制氫規模2 000 Nm3/h，制氫側功率10 MW。

圖3 戶內敞開式制氫設備示意

制氫系統采用戶內敞開式設計，對比集裝箱式設計，設備裸露在戶內環境中，對海上制氫平臺提供的環境要求及制氫設備自身的防腐能力有相較嚴苛的考驗。

本研究2 000 Nm3/h 的制氫規模共配置2 個1 000 Nm3/h 的電解槽，同時配套2 個變壓器、2 個整流器、2 個水精制設備、1 個公用氫氣提純模塊、低壓配電設備和控制系統設備。

戶內敞開式方案與集裝箱式方案就制氫工藝流程方面來說，沒有本質的功能區別，系統方案均由電源設備、水處理設備、電解設備、純化設備及控制系統等方面組成。就集裝箱式方案而言，其設備集成布置，空間利用緊湊，但單機規模普遍不超過500 Nm3/h。相較來說，戶內敞開式方案設備布置相對獨立，空間上也相對分散，但考慮其單機設備容量大，單機規模普遍在1 000 Nm3/h 水平，在大規模制氫應用背景下，其綜合占地空間更小。

（3） PEM制氫系統架構

PEM制氫系統架構如圖4 所示。高壓交流電源經降壓整流得到供電解槽用的直流電源，通過電解槽電解水得到氫氣、氧氣和水的混合物，經氣液分離系統處理，得到粗氫和粗氧，最后經過純化和干燥得到最終的純氫產品。

圖4 PEM 制氫系統架構

4 儲運系統方案

大規模集中制氫和長距離輸氫是未來趨勢[9]，目前海上制氫還處在科研階段，缺少相關工程經驗可借鑒。參考陸上氫氣運輸模式，結合實際情況及短期內可能實現的技術突破，可以考慮的輸氫方式主要有管道運輸和高壓氣氫運輸，即利用輸氫管道或儲氫瓶船運形式將氫氣輸送至陸地。

4.1 低壓緩沖管道輸送

氫氣壓力越高、材料的強度越高，氫脆和氫致開裂現象就越明顯[10]，所以氫氣管道優先選擇“低鋼級”鋼管。PEM制氫設備氫氣出口壓力為3 MPa，可通過壓縮機送入輸氫管道輸送至陸上。參考陸上純氫管道的工程經驗，站外長距離輸氫管道材料類型推薦采用X42N（L290N），設計壓力4 MPa。根據輸氣量2 000 Nm3/h 計算，設計管徑不小于50 mm，最大流速8 m/s。

4.2 高壓儲氫船舶輸送

PEM制氫設備氫氣出口壓力為3 MPa，同樣通過3 MPa 緩沖罐經壓縮機進行壓縮，參考陸上高壓氣態氫運輸壓力，可選取20 MPa 作為氫氣儲運壓力。本研究根據制氫系統產氣量，匹配4 臺500 Nm3/h 排氣量的20 MPa 壓縮機，4 臺壓縮機增加了系統運行的靈活性和可靠性。制備的氫氣在經過增壓處理后，在海上制氫平臺完成20 MPa 管束式集裝箱的充裝，通過平臺上的吊裝設施將管束式集裝箱整體吊裝至特種運輸船舶，完成制氫平臺至陸上的氫氣運輸。

5 平面布置

5.1 布置原則

海上制氫平臺布置，應從緊湊型的角度出發，做到功能分區明確、合理，工藝流程緊湊、順暢，方便接線及管道設計。

本研究考慮平臺重量分布盡量均勻，以制氫系統功能區為中心，結構上左右兩側對稱布置。底層為輔助設備區，功能上以給水系統為主。上層為制氫主設備區，功能上以制氫系統及供配電系統為主。

站外35 kV 制氫電源通過海纜由海上風電場升壓站母線35 kV 側接入至海上制氫平臺35 kV 開關柜室，再由35 kV 開關柜室為制氫成套系統提供制氫電源。

5.2 總體布置方案

根據以上的布置原則，結合PEM 制氫設備的選型，可布置兩個海上制氫平臺平面布置方案，具體情況描述如下：

（1） 方案1：海上制氫上部組塊采用整體安裝，上部組塊共分3 層，整個平臺最大尺寸為44.1 m×40.9 m。

①底層布置有污水處理裝置室、水泵房、海水提升設備間、消防設備室、海水淡化純化、新風機房室、事故油罐室、生活間等房間。

②二層布置有4 套500 Nm3/h 制氫撬、制氫輔助設備撬室、站用電室、35 kV 開關柜室、壓縮空氣室、站控室、蓄電池室、應急配電室。

③頂層布置有壓縮機室、20 MPa 儲氫瓶組及吊機。

（2） 方案2：海上制氫上部組塊采用整體安裝，上部組塊共分3 層，整個平臺最大尺寸為37.5 m×36.0 m。

①底層布置與方案1 相同。

②二層布置有2 套1 000 Nm3/h 制氫設備、氫氣純化設備、整流器室、35 kV 變壓器室、35 kV 開關柜室、站用電室、氮氣壓縮空氣室、站控室、蓄電池室、應急配電室。

③頂層布置與方案1 相同。

本研究根據制氫設備的不同選型，做了兩種海上制氫平臺的平面布置方案。

方案1 選用4 套500 Nm3/h 集裝箱式制氫設備，考慮到防爆距離等因素，制氫工藝區整體布置空間較大，但優勢在于制氫設備受海上嚴苛工況影響較小，且4 套設備運行的靈活性、可靠性較高。

相較之下，方案2 選用2 套1 000 Nm3/h 戶內敞開式制氫設備，制氫工藝區整體布置空間較小，但劣勢在于敞開式設備對海上平臺室內環境要求較高。

6 結論

本研究基于耦合海上風電和氫能的發展理念，以改善風電“上網難”和“棄風”的現象，提出海上風電海上集中大規模制綠氫方案。以海上制氫平臺為重點設計研究內容，探索海上風電聯合海上制氫平臺的融合發展模式。

本研究以200 MW 的海上風電場為擬定條件，配套設計制氫功率10 MW、產氫量2 000 Nm3/h 的海上制氫平臺方案。完成兩種基于不同制氫設備選型的海上制氫平臺平面布置設計研究，探索海上風電多功能融合的發展模式與解決方案，為新能源開發及消納提供更多的思路和技術儲備。