海上風電制氫技術展望

王立坤，郭 宇，陳秋華，袁東野，閆富勝，路 通

（中海石油技術檢測有限公司，天津 300452）

0 引言

由于當前全球溫室效應不可逆的現狀，世界各國極力推動傳統化石能源向低碳化、無碳化的轉變。基于當下能源形勢和未來發展方向的判斷，國務院制定了“碳中和”和“碳達峰”的能源戰略目標[1-3]。

氫元素約占整體宇宙質量的70%，燃燒過程中熱量釋放能級優于化石燃料，燃燒后反應生成水，過程中實現零排放，無碳化并且產物可用于再度制氫，在化工生產過程中還可作為還原劑的有效替代產品。因其清潔環保、高效靈活且循環使用的特點受到了各國學者的廣泛關注[4]。

我國制氫技術日趨完善，已經實現氫能商業化轉化。根據中國氫能聯盟預計，30 年后氫能在我國能源占比將會增加10 倍，成為消費主導能源之一。電解水制氫相較于技術成熟、污染較大的化石燃料制氫而言，成本、技術相差較大，但其設備簡單、運行穩定，真正實現了整體過程無碳化，發展前景廣闊。電解水制氫通常使用風能、太陽能、核能等清潔能源。

近年來，我國海上風電發展勢頭迅猛[5]，僅2021 年一年的裝機量超以往總數約2 倍，總裝機量約占世界總量50%，躍居世界第一。在此條件下海上風能和氫能相互促進，即利用海上風電電解海水制備氫氣，不僅能夠解決海上風電并網消納，運輸成本較高等問題，還可提升氫氣產量，增加能源密度，二者互利共贏將會是未來發展的大趨勢。因此海上制氫成為當前清潔能源領域重點研究方向之一。

本文通過對海上風電制氫的技術路線，國外相應項目經驗，國內相關產業布局等3 個方面的分析對我國海上風電制氫的未來發展進行綜合預測。

1 海上風電制氫技術路線

1.1 海上風電制氫系統

海上風電制氫裝備由海上風力渦輪發電機、電解槽、儲氫罐及運輸管道組成。根據電解槽位置的不同，制氫系統分為海上和陸上制氫兩種（圖1）[6]。

圖1 海上風電制氫系統

1.2 陸上電解水制氫方案

海上風力發電機將風能轉換為電能，經由傳統電纜輸送到陸地，由陸地根據市場情況靈活選擇直接售賣電網或轉換為氫能儲存。該方案操作靈活，在后續的維修養護也有明顯優勢，但電纜在傳輸過程中能量損失明顯，發電機距離岸邊越遠，電纜中能量損耗呈倍數上升，在我國不斷向深水乃至超深水平臺建設的趨勢下，陸上制氫成本將逐年遞增。

1.3 海上電解水制氫方案

將海上平臺轉換為制氫平臺，可以將電能直接轉換為氫氣儲存，再經輸氣管道傳輸到陸地直接使用，傳輸相同能量時，輸氣管道產生的損耗相比于陸地制氫方案中電纜造成的損耗可忽略不計，海上風電系統逐漸由輸電向輸氣轉換。根據海上電解水制氫系統形式的不同，后者又可以進一步分為集中式和分布式2 種（圖2）[7]。

圖2 海水電解制氫方式

集中式方式通過構建海上發電機和海上平臺間電氣轉換網絡，從源頭處減少能量在電纜中傳輸損耗，其優點是可以利用現有平臺或油氣管道，降低前期投入成本。

分布式電解水制氫方案中，通過在發電機底部安裝完整設備，直接賦予發電機制氫能力，將產生氫氣匯聚到主管道內，經由主管道壓縮后向陸地傳輸。該方式降低對海上平臺的依賴性，大幅降低前期成本和過程中能量損失。但由于海上氣候多變，風力發電機受海浪、微生物、臺風等因素影響，故障率居高不下，海上維修成本過高，導致該方案仍需持續優化，技術進一步突破。

2 海上風電制氫技術

目前電解水制氫的主要技術可分為4 種，即堿性電解水制氫（AEL）、質子交換膜（PEMEL）電解水制氫、固態氧化物電解水制氫（SOEL）和固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫（SPE）。

2.1 堿性電解水制氫

以20%～30%（w.t.）NaOH 或KOH 為電解液，通過外加電源將H2O 電離為H+和OH-，氫離子和氫氧根離子在陰陽極電場力作用下在隔膜處得失電子，生成氫分子和氧分子。但此時氣體呈堿性，需進一步增加PH 值做脫堿處理。堿性電解制氫是現有制氫技術中最為成熟，工業化化程度最高（每小時可達1000 Nm3），成本最低的技術。但堿性電解能量轉換率最高只能達到60%，堿性溶液易和空氣中的CO2發生反應生成難溶于水的碳酸鹽，提高反應所需能量、降低反應效率，并對波動性較高的能源以匹配。

2.2 固態氧化物電解水制氫

由氫電極層（NiYSZ）、電解質層（YSZ）、氧電極層（LSCF）構成，當電解池外部施加一定電壓，水分子在氫電極層的作用下分解生成氫氣，反應式如下：

該技術相對于低溫電解，可有效降低成本且制氫效率高，但電解槽啟動速度慢、材料退化速度快等缺陷導致現有技術成熟度較低，無法應用于海上風電制氫項目。

2.3 固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫

將電催化劑附著于膜表面，形成復合型膜電極，通過膜上附著電解質與電解液中溶質發生置換，反應產物易分離，反應效率極高，極大降低了腐蝕的發生，使用壽命極長，同時因僅對氫離子單向導通，制出的氫氣氣體純度極高，但目前膜及相關配件制作成本較高，SPE 僅限于實驗室使用，無法大規模應用。

2.4 固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫

電解池由質子交換膜、陰陽級催化層和擴散層、雙極板構成（圖3）[8]。其中催化層、擴散層和交換膜共同組成膜電極，是析氫、析氧反應發生的主區間，同時作為整體電解槽中關鍵部位——質子交換膜，它承擔著傳輸質子，讓擴散層中生成的氫氣、氧氣分離，為催化層提供支撐的作用，交換膜性能的優劣直接決定著工藝生產效率和相關配件使用年限。例如，全氟磺酸膜（PFSA）作為主要用膜，自身較低的通透率使得在電流密度較高時PEMEL 仍正常進行。交換膜作為離子導體，制備效率快，產生的氫氣純度≥99.99%，無廢液產生，并可實現更高壓力的輸出，是電解水制氫技術中最具有發展前景和商業潛力的制氫技術之一。

圖3 PEMEL 組成

LEO TJ[9]等通過社會、經濟、環境等多方面指標對上述4種技術進行評判，結果表明PEMEL 優勢明顯。相較于SPE，實現商業化而SPE 現僅限于實驗室使用；相較于AEL，質子交換膜替代石棉隔膜，隔絕兩側氣體交匯，氣體純度更高，并無強堿性廢液生成，同時自身零間隙結構使得電解槽體力更為緊致，雙極板之間電阻降低，電解池性能大幅度上升，運行時電流密度為1 A/cm 約為AEL 電流4 倍以上，同時PEMEL 與風能、光能等可再生能源的波動性具有高度適配性；相較于SOEL，一般5 ℃以上便可啟動且啟動時間為毫秒級，可在整體負壓下靈活生產，雖然SOEL 制氫效率略高于PEMEL，但其反應所需溫度較高（800～1000 ℃）、開關之間所需時間過長，材料自身膨脹系數的不同，使得電解槽使用年限較低，商業化程度仍處于起步階段。

整體上，PEMEL 與海上風電制氫方案中集中式和分布式電解水制氫適配性俱佳，是海上未來發展的重要方向之一。但質子交換膜制作工藝復雜，陰陽極材料均由貴金屬制成，同時由于新能源波動性較強，間歇性供能導致運行過程中面臨多次驟開驟停，對電解池耐用性是一種挑戰。以上因素是制約該技術進一步發展的瓶頸和未來研究的關鍵。

3 海上風電制氫的發展

海上風電制氫作為Power-to-Gas 實際應用的經典體現，根據國際能源署預計在2040 年超半數能源由可再生新能源提供，氫能將占據工業能源70%以上，海上風電需求呈現直線遞增。在此背景下，世界各國認為海上風電制氫將會是海上風電向深遠海開發的破局關鍵。

3.1 國外研究現狀和經典項目

MCKEOGH E 等[10]通過綜合風力發電量、制氫產量、預測成本以及資金回報率等多方面因素進行綜合性仿真模擬，對海上風電制氫可靠性做出進一步確定。KIM K 等[11]通過對敏感性分析、凈利潤值計算外加蒙特卡羅模擬，從經濟性角度分析出海上制氫技術中分布式制氫技術方案最具有經濟潛力。

海上風電制氫典型項目大多集中在德國、丹麥、荷蘭等傳統歐洲科技強國，截至目前，已有大量項目興建[12-14]。

德國聯邦政府同意投資3000 萬歐元籌備Westküste 100 項目，目的實現海上風電制氫在航空航天、工業、民生等多方面的未來發展，項目完成后將會實現行業大量耦合和近700 MW 電解槽系統建立。

荷蘭實現海上風電，氫能和天然氣綜合管理運行建立世界上首個海上風電制氫項目——PosHYdon，以Q13a-A 平臺作為試驗平臺驗證海上風電制氫的可行性，氫氣產出后與天然氣混合，通過已有天然氣管道并入國家管網。

丹麥風電巨鱷宣布將于2030 年建成1 GW 電解槽和荷蘭北海中2 GW 電解槽連接，產出氫氣將通過管道實現跨境運輸，二期工程完工穩定后輸入國家氫網。

3.2 國內產業布局及政策

我國海上風電制氫自2020 年起始[15-16]，雖起步較晚，但我國海上風電發展速度已躍居世界第一，在碳中和、碳達峰目標下，各地政府積極響應加快相關布局。

廣東省印發《促進海上風電有序開發和相關產業可持續發展的實施方案》，提出重視海上風電的綜合應用，以海上風電為著力點，帶動相關經濟發展；《浙江省可再生能源發展“十四五”規劃》提出，因地制宜，大力推動海上風電建設，通過海上風電規模化實現全產業鏈協同發展，組合研發海上風電制氫等相關新技術新模式；《山東省能源發展“十四五”規劃》提出，以海上風電作為主戰場，發揮地方優勢，將可再生能源在社會用電量占比提升19%，圍繞創建“東方氫島”，創立氫進萬家科技示范工程，加快推進能源側結構改革。

項目實施方面，中海油海上制氫工藝技術研究招標公告發布，項目終旨對海上風電制氫技術路線和方案推陳出新，并針對新的工藝方案和技術路線的可行性和經濟性與同濟大學展開研究。于2020 年7 月，集團下屬子公司——中海油能源發展股份有限公司，和全球最大氣體供應商——Linde 集團簽訂合作意向書，雙方結合自身優勢，攜手推動并開發中國氫能市場。

2022 年5 月中海油在青島建造的我國首個水深過百、離岸超百公里的雙百深遠海海上風電項目進入實施階段，項目預計減碳50～60 萬噸，成為海上油田與風電融合的新標桿，同時打破風電潛水開發的限制，為我國海上風電規模化發展提供強有力支持。

4 結論

我國海上風電制氫方向商業潛力巨大，是未來促進能源結構改革，建立新能源體系的重要模式之一。隨著我國不斷向深遠海推進，海上電解水制氫方案將成為未來大熱方向。電解水制氫技術中PEMEL 因其自身反應快，產生氫氣純度高，占地面積小與海上風電高度適配性等優秀性能將會是海上風電制氫方案中重點技術，實現PEMEL 大規模商業化仍需在制氫成本即降低貴金屬使用，研究新型膜合成路線，開發高性能催化劑，延長電池耐用性3 個方面的突破。

隨著對氫能需求的進一步增加，我國需參考國際先進經驗，結合當前國情制定并完善海上風電制氫的標準和檢測體系，同時加強對國內氫能體系的頂層設計，為企業發展提供大方向，避免無謂消耗，進一步落實相關政策，利用現有設施，穩步推進海上風電制氫工業化發展。讓海上風電制氫成為我國能源轉型中的重要推動力，早日達成“雙碳”目標。