海洋氫能發(fā)展現(xiàn)狀綜述

吳瑾 焦文強(qiáng) 田倩 郝珍 郜鑫

關(guān)鍵詞：海洋氫能;可再生能源;水電解制氫;海上風(fēng)電

1海洋氫能簡(jiǎn)介

1.1概述

氫能作為一種二次能源，具有來(lái)源廣泛、燃燒熱值高、清潔無(wú)污染和可規(guī)模化發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。在全球推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向低碳化和清潔高效的發(fā)展背景下，氫能進(jìn)入快速發(fā)展期。與太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源相比，氫能具有很強(qiáng)的可儲(chǔ)存性，因此被看作是未來(lái)最理想的清潔能源。國(guó)際社會(huì)也明確將氫能定位為能源技術(shù)革命的重要方向，這也預(yù)示著氫能將在未來(lái)能源低碳發(fā)展中發(fā)揮重要引領(lǐng)作用。

海洋能是可再生能源的重要組成部分。世界許多沿海國(guó)家和地區(qū)高度重視海洋能的開發(fā)利用，紛紛通過(guò)制定中長(zhǎng)期發(fā)展路線圖，出臺(tái)激勵(lì)政策，建設(shè)海上公共平臺(tái)等方式布局和拉動(dòng)海洋能各環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，多管齊下拓展藍(lán)色經(jīng)濟(jì)空間。尤其是將海洋能與氫能建立結(jié)合，通過(guò)發(fā)展海上風(fēng)電綠色制氫技術(shù)加快能源轉(zhuǎn)型升級(jí)。

全球范圍內(nèi)已具有沿海港口氫能應(yīng)用案例。美國(guó)、日本、西班牙等國(guó)的資源型或綜合型港口，都相繼加入轉(zhuǎn)型氫能港口的行列。海上風(fēng)電是可再生能源，具有風(fēng)能資源穩(wěn)定、不占用土地、消納條件良好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。歐洲基于風(fēng)能資源、風(fēng)能利用率以及產(chǎn)業(yè)鏈等方面的極大優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)開展了多個(gè)海上風(fēng)電及在岸/離岸制氫項(xiàng)目，通過(guò)示范加快關(guān)鍵裝備的研發(fā)，促進(jìn)海上風(fēng)電制氫技術(shù)的發(fā)展。

1.2發(fā)展趨勢(shì)

全球海上風(fēng)電市場(chǎng)整體處于增長(zhǎng)階段。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，截至2020年底，全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)35吉瓦（GW），其中英國(guó)、中國(guó)和德國(guó)占據(jù)市場(chǎng)前三，共占總體裝機(jī)容量的79%;2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量6.067吉瓦（GW），相比2019年增長(zhǎng)16.7%;并且預(yù)計(jì)到2024年全球海上風(fēng)電將新增50GW，海上風(fēng)電具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ@也為海上風(fēng)電制氫的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

世界能源理事會(huì)將氫氣按照生產(chǎn)來(lái)源分為“灰氫”“藍(lán)氫”和“綠氫”三類。其中，“綠氫”是使用可再生能源進(jìn)行電解水制氫。相比“灰氫”既通過(guò)化石燃料制氫，以及“藍(lán)氫”既通過(guò)蒸汽甲烷重整技術(shù)或煤氣化加上碳捕捉和貯存技術(shù)制氫，“綠氫”可真正實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，對(duì)環(huán)境友好，因此社會(huì)接受度最高，發(fā)展“綠氫”也是國(guó)際社會(huì)踐行“碳達(dá)峰”和“碳中和”愿景的首選之路。海上風(fēng)電制氫屬于“綠氫”，其技術(shù)路線具備以下優(yōu)勢(shì)：一是風(fēng)電直接用于制氫，無(wú)須新建海上輸電系統(tǒng)，減少了對(duì)現(xiàn)有輸電網(wǎng)絡(luò)的依賴;二是海上風(fēng)電可以就近在油氣平臺(tái)或油氣管道附近建設(shè)，或可將油氣平臺(tái)改造為制氫平臺(tái)，避免了長(zhǎng)距離輸電損耗，同時(shí)也降低項(xiàng)目投資成本;三是采用海水淡化+風(fēng)電制氫技術(shù)結(jié)合的形式，其不僅原料豐富，還可提高風(fēng)能利用率。并且隨著以歐洲地區(qū)為代表的海上風(fēng)電發(fā)電成本的大幅度降低，使得海上風(fēng)電制氫技術(shù)在成本上具備了與其他制氫方式競(jìng)爭(zhēng)的能力。

2國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國(guó)外發(fā)展技術(shù)簡(jiǎn)介

海上可再生能源制氫方面，歐洲已啟動(dòng)多個(gè)海上風(fēng)電及在岸/離岸制氫項(xiàng)目，逐步形成了四種海上風(fēng)電制氫模式。并著力開展海上制氫平臺(tái)、浮式風(fēng)電平臺(tái)等關(guān)鍵裝備研發(fā)，這些項(xiàng)目目標(biāo)大多計(jì)劃于2025年左右實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，2030年前后形成大規(guī)模制氫能力。目前面臨的主要問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫儲(chǔ)氫技術(shù)和整套系統(tǒng)商業(yè)模式的經(jīng)濟(jì)性研究。

2.1.1風(fēng)電平臺(tái)+電解裝置

英國(guó)Dolphyn項(xiàng)目在方案選擇階段對(duì)不同海上風(fēng)電制氫模式進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，評(píng)估結(jié)果表明浮式風(fēng)電平臺(tái)自帶電解裝置是批量制氫的較經(jīng)濟(jì)的解決方案。目前該項(xiàng)目計(jì)劃在北海開發(fā)一個(gè)4GW的浮式風(fēng)電場(chǎng)，將電解裝置安裝在風(fēng)機(jī)容量為10MW的單個(gè)浮式風(fēng)電平臺(tái)的甲板區(qū)域上制取氫氣，并通過(guò)管道輸送，最終在2037年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)氫氣36萬(wàn)噸的目標(biāo)，預(yù)計(jì)總投資超過(guò)120億英鎊（約合人民幣1088億元）。

2.1.2舊平臺(tái)改裝+電解裝置

2019年7月，荷蘭海王星能源公司（Neptune Energy）宣布在荷蘭北海地區(qū)建立海上制氫試點(diǎn)項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)海王星號(hào)Q13-a平臺(tái)改裝，在平臺(tái)上的集裝箱中放置一個(gè)1MW的電解槽制氫，在2023年完成海上風(fēng)電制氫的可行性驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)一體化運(yùn)行。對(duì)于改造平臺(tái)的制取方式，其優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)現(xiàn)成的油氣管道將氫氣輸送到陸地上，未來(lái)還可以和油氣開發(fā)商分?jǐn)偣艿谰S護(hù)費(fèi)用。在平臺(tái)選擇方面，重點(diǎn)考慮了甲板空間、承載起重能力、氫氣氧氣處理能力等因素。

2.1.3新建平臺(tái)+電解裝置

2020年8月，德國(guó)RWE宣布開發(fā)一個(gè)名為AquaVentus的10GW級(jí)的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目，計(jì)劃在2027年建成容量為290MW海上風(fēng)電制氫平臺(tái)，并通過(guò)海底管道將氫氣輸送到離德國(guó)海岸約60km的Heligoland島進(jìn)行液化。Engie旗下的兩家公司Tractebel Engineering和Traetebel Overdick也在開發(fā)一座400MW的海上風(fēng)電制氫站，并完成了可行性研究和概念設(shè)計(jì)。此外，日本、法國(guó)也開展了相關(guān)研究。

2.1.4陸上電解

英國(guó)Gigastack項(xiàng)目將與0rsted的1.4GW Hornsea 2海上風(fēng)電場(chǎng)接生產(chǎn)綠色氫氣，為英格蘭東北部的一家石油和天然氣精煉廠提供動(dòng)力。該項(xiàng)目分析了不同海上風(fēng)電制氫模式，由于新建海上平臺(tái)研發(fā)成本不確定因素較多，短期重點(diǎn)放在陸上電解制氫方案上。比利時(shí)HYPORT Oostende項(xiàng)目由海工巨擘DEME、投資機(jī)構(gòu)PMV和比利時(shí)Os～nd港共同開發(fā)，計(jì)劃在第一階段開發(fā)一個(gè)50MW的示范項(xiàng)目，第二階段在2025年大規(guī)模推廣在岸制氫，通過(guò)利用風(fēng)力發(fā)電高峰期和用電高峰期需求不一致性來(lái)消納多余風(fēng)電，實(shí)現(xiàn)每年二氧化碳排放量減少50萬(wàn)噸至100萬(wàn)噸。

目前影響海上風(fēng)電制氫經(jīng)濟(jì)性的主要因素有：離岸距離、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施條件、電解技術(shù)、氫儲(chǔ)能技術(shù)等，歐洲國(guó)家也基于這些因素形成了不同的制氫方式。總體來(lái)看，“風(fēng)電平臺(tái)+電解設(shè)備”的制氫方式適用于新建的海上風(fēng)電場(chǎng)，通過(guò)在風(fēng)機(jī)內(nèi)或擴(kuò)大后的風(fēng)機(jī)平臺(tái)上設(shè)置水電解制氫設(shè)備實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的分布式制氫，直接通過(guò)管道外送。“舊平臺(tái)改裝+電解設(shè)備”的制氫方式，海上風(fēng)電可以就近在即將退役的油氣平臺(tái)和現(xiàn)有的油氣管道附件建設(shè)從而降低制氫成本。“新建海上平臺(tái)+電解設(shè)備”的制氫方式則適用于離岸較遠(yuǎn)的風(fēng)電場(chǎng)，通過(guò)新建海上制氫平臺(tái)，減少電力傳輸損耗。而“海上風(fēng)電+陸上電解”的方式，則適用于近岸海上風(fēng)電場(chǎng)。