海上风电制氢技术 - 海洋电力发电技术

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2020年9月22日，我国在第七十五届联合国大会上提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，并争取2060年前实现碳中和”。2021年10月24日，国务院发布《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰、碳中和工作的意见》。并明确指出，完成好能源行业在碳达峰、碳中和工作中的历史使命和优化现有能源结构，需加快构建清洁低碳安全高效能源体系。针对当下能源安全、气候变化等相关问题，要坚定地加快推进能源转型，从化石燃料转向可再生能源。

近年来，国内外可再生能源装机规模飞速增长。据世界海上风电论坛（WFO）发布最新《2022年全球海上风电报告》统计，2022年全球海上风电装机容量9.4GW，截至2022年底，全球海上风电累计装机容量达57.6GW，中国新增了6.8GW的海上风电装机，中国海上风电总装机达到了25.6GW，超过了英国（13.6GW）、德国（8GW）和荷兰（3GW）的总和。

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氢能具有高能量密度、可储存运输、高转化效率、适用范围广和环保无污染等特点，被广泛认为是大规模转化剩余可再生能源电力的方式之一。随着海上风电的大规模发展，海上电力尤其深远海可再生电力输送、消纳成为问题，利用海上风电制氢是解决海上风电大规模并网消纳难，深远海电力送出成本高等问题的有效路径；同时，还可以利用海上风电较低的度电成本提高电解制氢的收益。

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技术路线

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1“电能+氢能”共享输送方式

该方案适用于离岸近、敷设海缆传输电力尚具经济性的海上风电制氢项目。方案的核心思想是将海上风电的电能和海上风电制取的氢气通过共享的一条脐带缆输送，即“电能+氢能”共享输送。

制氢系统集成布置于海上升压站。海上制氢站配置有海水淡化装置、水电解制氢装置、压缩储氢装置等。风电场风机所发电能通过中压集电海缆汇集到海上平台上，与中压开关柜连接，中压开关柜分别和升压变压器和降压变压器连接，进行升压和降压。升压后把电能通过脐带缆的电缆单元输送到陆上，降压后分别给平台设备和制氢设备供电，制取的氢气经过脐带缆的管道单元输送到陆上，脐带缆主要包括电缆单元、氢气管道单元、光纤单元、填充物及铠装等，脐带缆截面。

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图1 “电能+氢能”共享输送示意图

图2 脐带缆截面

根据弃风的程度可分为3种工作模式：

（1）完全弃风模式，即风电场所发电能在满足平台设备供电后全部用来制取氢气，不并网。电能经海上平台降压后给制氢设备供电，制取的氢气经过脐带缆的管道单元输送到陆上。在此模式下，电能不经升压环节，脐带缆的电缆单元不工作。

（2）非弃风模式，即风电场所发电能在满足平台设备供电后全部并网，不制取氢气。电能经海上平台升压后通过脐带缆的电缆单元输送到陆上，经海上平台降压后给平台设备供电。在此模式下，不给制氢设备供电，脐带缆的管道单元不工作。

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（3）部分弃风模式，即风电场所发电能在满足平台设备供电后部分并网，部分制取氢气，并网的量由电网调度部门调控。升压后把电能通过脐带缆的电缆单元输送到陆上，降压后分别给平台设备和制氢设备供电，制取的氢气经过脐带缆的管道单元输送到陆上。在此模式下，并网和制取氢气同时工作，脐带缆的电缆单元和管道单元同时工作。

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2海上制氢站+管道输送氢气

该方案适用于远海、敷设海缆传输电力已不具有经济性的海上风电制氢项目。风电场风机所发电能通过中压集电海缆汇集到海上制氢站上，全部用来制取氢气。制取的氢气经过海底压力管道输送到陆上储氢装置中，供陆上使用和消纳。

图3 海上制氢站管道输送氢气

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3海上加氢站+运输船输送氢气

该方案适用于远海、敷设海缆传输电力已不具有经济性的海上风电制氢项目。风电场风机所发电能通过中压集电海缆汇集到海上制氢站，全部用来制取氢气，制取的氢气充装在氢瓶组中。海上制氢站或运输船布置有吊机，氢气瓶由运输船海运到码头氢气转运场地，供陆上使用和消纳。

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图4 海上制氢站船舶输送氢气

4海上加氢站为船舶提供清洁能源

近年来，船舶航运业带来的环境污染问题受到国际社会的高度关注。规制船舶环境污染和降耗减排的国际公约及相关规划文件相继出台，且标准和规范日益严苛，绿色低碳已成为船舶航运业发展的必然趋势。

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氢燃料动力船舶是很好的解决方案，可实现船舶“零排放”的目标。目前，汽车领域的氢燃料电池系统应用已较成熟，为氢燃料电池在船舶上的应用奠定了良好的基础。海上制氢站、海上加氢站可为未来氢动力船舶提供氢气。

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图5 海上制氢站、加氢站为船舶提供氢气

对于以上4种方案进行综合对比，得到结论：方案1和方案2在短期内不具有技术和经济优势，需要技术攻关和科技创新，以提高安全性、可靠性并降低成本；方案2的海底管道初始投资成本不亚于海底电力电缆，故不具有经济优势；方案3在技术和经济上均具有一定优势；方案4的氢动力船舶若在短期内不能普及，则氢气消纳问题无法解决。

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国外发展现状

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欧洲是海上风电最发达的地区，也是推动海上风电制氢最为积极的地区。欧洲海上风电制氢的概念理论、项目实践都走在了世界的前沿，对欧洲海上风电和绿氢产业发展起到了重要的助推作用。欧洲不仅将氢能看作实现“碳中和”目标、经济结构性转型以及为后疫情时代注入更多发展动能的重要路径之一，还力争成为这一新兴产业的引领性力量；除了欧洲，韩国、新加坡等国家也在积极布局海上风电制氢项目，寻找绿氢生产新方向。

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1、英国

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英国现阶段正布局世界最大海上风电制氢。Ørsted的1.4 GW Hornsea2海上风电场将与Gigastack项目连接生产绿氢，为英格兰北部的一家石油和天然气精炼厂提供动力。该风电场计划于2022年建成投产，将取代1.2 GW Hornsea1，成为世界上最大的海上风电场。该项目致力于通过水电解制氢的规模化应用降低其成本，从而提高该技术商业化应用的可能性。另一个绿氢项目Dolphyn也获得了英国政府提供的312万英镑的资助，该项目计划在英国北海4 GW的漂浮式风电场使用独立装置生产氢，根据计划，样机工程的最终投资决策在2021年年底完成并于2023年投运，2026年前实现在10 MW机型上制氢。

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2.荷兰

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基于Q13a平台的PosHYdon项目是世界上第1个海上风电制氢项目，由荷兰多家企业、机构共同承担，以促进减排事业，在北海建立新的能源模式。Nepture Energy公司的Q13a平台是荷兰北海首座完全电气化的油气平台，在PosHYdon项目中将被改造为制氢平台。集装箱式的制氢设备体积很小，绝大多数海上平台都可以容纳。目前，平台电力暂时由陆地上的电网通过海缆连接供应（按波动的海上风电发电量来模拟），未来将改由附近的海上风电场供应。

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3.丹麦

丹麦可再生能源公司沃旭能源Ørsted首个绿氢示范项目——2 MW的H2RES于2021年5月动工，该项目位于哥本哈根，将使用海上风电作为制氢电源。项目将探索如何对Ørsted位于Avedøre Holme的2台3.6 MW海上风电与电解槽进行结合，在波动性电源下实现电解槽的最佳运行。该项目预计在2021年下半年开始生产氢气，日产量可达1 000 kg左右，产生的绿氢将作为燃料用于大哥本哈根地区和西兰岛的公路运输。

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4.比利时

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2020年，比利时发布了Hyport Oostende海上风电制氢项目规划，根据其进度时间表，有望成为世界上首个投运的商业化海上风电制氢项目。该项目由海工巨擘DEME、投资机构PMV和比利时Ostend港共同开发，在Ostend港实施。项目分2阶段，第1阶段开发一个50 MW的示范项目，第2阶段开发一个规模更大的商业化项目并在2025年前完成。

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5.法国

法国一家由浮式风机供电的海上制氢厂计划2022年投入运营，该制氢厂将安装在法国勒克罗西克海岸的SEM-REV示范风场并与Floatgen浮式风机相连。Floatgen是一台2 MW的浮式风机，也是法国第1台海上浮式风机，于2018年安装在SEM-REV海上风场并于同年开始向法国电网供电。

6.德国

根据一份德国经济与能源部正在起草的氢能发展战略，德国正在考虑在海上风电竞标中指定部分海上风电场专门用于生产绿氢。Engie旗下的2家公司Tractebel Engineering和Tractebel Overdick也将在德国建设一座400 MW的海上风电制氢站。2020年6月，德国发布了氢能源战略，计划在2030年前投入90 亿欧元，开发5GW电解制氢项目并推动产业链发展。

7.新加坡

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日前，来自新加坡的能源企业Enterprize Energy和Engie旗下的工程公司Tractebel Overdick签订了一份谅解备忘录，将联合在北海开发建设一个一站式海上平台，利用海上风电制氢和制氨。该平台名为Energy-Plus，规划容量为400 MW，底部为导管架基础，上部平台装设电解槽设备，用于生产绿氢并通过管道外送，同时生产少量绿色氨气，用气罐存储统一运输。

8.韩国

2020年11月24日，韩国举行“绿色氢气生产、储存、使用”签约仪式。试点项目利用济州能源公社保有的东北北村海上风力发电系统的弃电，每天生产600 kg氢气。

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国内发展现状

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我国对发展风电制氢技术也很重视，2014年，李克强总理考察了德国氢能混合发电项目，指示国内相关部门组织实施氢能利用示范项目。国家能源局指示河北、吉林省加快推进可再生能源制氢示范工作，将氢储能作为解决弃风、弃光问题的新思路。

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目前我国的风电制氢项目与课题已经超过20个，但海上风电制氢项目较少，仅有少数几个科研课题及初步签约的项目。随着国内海上风电的进一步发展和风电制氢项目经验的积累，海上风电制氢项目将迎来一个发展高潮。

1、风光电结合海水制氢技术前沿研究

国网上海市电力公司于2009年针对风电、光电制氢提出了多种应用方案，并以东海风电场为例，开展了风、光电制氢的综合效益评价。

2、风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范项目

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该项目为国家863项目，在中节能风力发电（张北）有限公司建设风电场，制氢功率为100 kW，燃料电池发电功率为30 kW。

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3、河北建投沽源风电制氢综合利用示范项目

项目由河北建投新能源有限公司与德国迈克菲及欧洲安能公司联手打造，于2014年12月31日获得河北省发改委核准。项目总投资20.3亿元，分为200 MW风力发电场、10 MW电解水制氢系统及氢气综合利用系统2个部分。

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4、青岛深远海2 GW海上风电融合示范风场项目

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该项目涉及单位有蓝谷管理局、中能融合公司、中国电建集团西北院。其中风电部分直接投资300亿元以上，可拉动风电场与海洋牧场一体化融合产业、风电制氢、风能海水淡化和装备制造等相关产业，合计投资500 亿元以上。

5、中海油海上制氢工艺技术研究

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该项目由同济大学和中海油能源发展股份有限公司联合开展。项目旨在研究设计和优化海上风电制氢的工艺流程，提出技术和经济可行性的边界条件。该项目位于上海长宁区，主要进行：（1）海上电解水制氢工艺方案选型及技术研究；（2）海上风电与制氢设备匹配性研究；（3）海上储氢、输氢技术等研究。

6、《海上风电制氢/氨产业链创新及产业化战略合作（框架）协议》

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由中国船舶大船集团、中国科学院大连化学物理研究所、国创氢能科技有限公司、中国船舶集团海装风电股份有限公司合作展开，合作各方将以国家“碳达峰、碳中和”为战略目标，大船集团利用本地化优势及在海上氢/氨的制取、储运、应用装备的优势和能力，大连化学物理研究所利用制取氢/氨关键技术开发能力和优势，中国船舶集团海装风电股份有限公司利用本企业在风电开发领域的能力和实力，国创氢能科技有限公司利用在氢燃料电池领域的生产、技术成果转化的能力和优势聚焦海洋绿色能源开发及利用，密切合作，共同促进制氢、制氨、燃料电池及液氢/氨储运技术在船舶与海洋工程领域的创新应用与发展，共同推进海上风电制氢/氨及其储运技术与装备的研发及产业化，推动地方及我国绿色海洋经济发展。

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发展趋势

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国内外海上风电制氢均处于起步阶段，各国仍在探索可行的技术方案和商业化方案。作为海洋能源综合利用的一种方式，伴随着海上风电的快速发展，海上风电制氢有望得到进一步发展，为海上风电消纳、海上风电输送系统建设提供新思路。

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海上风电制氢需符合当地自然条件且可实施的海上制氢商业模式，根据当地相关政策，结合各国风电制氢示范工程以及重大项目，对海上风电制氢系统在不同技术路进行可行性分析和全寿命周期设计技术研究是必要的。

海上风电输出功率具有随机性、不稳定性、波动性的特点，而水电解制氢设备对电能质量的稳定性要求较高，频繁的电力波动会影响设备的运行寿命，增加设备维护成本，影响产品氢气的纯度，氢气中氧气含量会提高，带来安全风险。针对制氢稳定性和连续性问题，海上风电制氢系统运维策略制定和优化也将是今后的发展方向。

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结语

我国作为海上风电大国、氢能应用大国、海洋资源大国，应当注重海上风电制氢的发展，通过更多的方式挖掘海洋资源潜力，并与氢能产业结合，从而解决“ 绿氢”来源问题，助力碳中和目标的实现。

我国海上风电总规划为166. 386 GW，因此，在我国进行海上风电制氢将有非常广阔的电力来源；同时，利用海上风电制备氢气，并通过各类储运技术送到氢能源市场，开发跨越电力输送的渠道，为海上风电和氢能发展提供了可行的思路，有利于国家能源安全。

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总的来说，随着海上风电规模的增大，综合发展海上风电输电及制氢技术，可以有效提高海上风能的利用率，并为海上风场向深远海扩展提供新方向，同时可进一步助力沿海地区能源密集型产业脱碳，推动沿海各国减少碳排放。

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撰稿 | 千尧科技

责编 | Meredith

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