海上風電制氫技術現狀和發展趨勢

2022年,《氫能產業發展中長期規劃(2021—2035年)》明確了氫的能源屬性,是未來國家能源體系的組成部分。在“雙碳”目標的大背景下,氫能作為清潔、高效的二次能源,是實現高能耗、高排放領域向綠色低碳轉型的重要路徑。

海上風電制氫是未來綠氫生產的主力軍之一。近年來,我國海上風電迅速發展,2021年新增裝機容量為1690萬千瓦,累計裝機容量達到2638萬千瓦,接近全球海上風電累計裝機容量的一半,位居世界首位。海上風電與制氫相融合,有望成為海上風電產業長期可持續發展的重要模式,具有良好的推廣應用前景。海上制氫的關鍵技術以及安全可靠性還有待進一步研究論證,主要包括海洋高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線的惡劣環境對制儲氫工藝、設備的影響,浮動式海洋平臺的運動對制儲氫工藝、設備的影響,海洋平臺空間狹仄對設備布置及系統模塊化集成技術的要求,海上可再生能源發電的隨機性、波動性、間歇性對制氫電解槽適應性及穩定性的要求,海上長期無人值守對制儲氫設備安全可靠性、智能運行與監控的要求,遠距離海上輸氫、運氫的安全性要求,以及海上制氫產業鏈發展的經濟性要求等。

本文主要分析了全球海上風電制氫技術現狀和發展趨勢,詳細論述海上制氫技術、海上氫能儲運技術、海上制儲氫裝備以及海上制儲氫方案4個方面;對國內海上風電制氫技術現狀和發展進行了總結。在此基礎上提出了相關對策和建議,為我國海上風電制氫技術與裝備的創新發展提供參考。

 1   海上制氫技術

海上制氫通常利用電解槽通過水電解制氫。水電解制氫主要分為質子交換膜水電解制氫(PEM)、堿性水電解制氫(ALK)、固態氧化物水電解制氫(SOEC)3種技術路線。主流水電解制氫技術對比如表1所示。固態氧化物水電解制氫效率最高，但電極材料穩定性低，且工作溫度較高，致使電解槽壽命較短，目前僅處于初期研究階段。因此，可用于海上的水電解制氫技術主要是質子交換膜水電解制氫(PEM)技術以及堿性水電解制氫(ALK)。質子交換膜電解制氫具有啟動快速、電解槽體積小、電流密度高、輸出壓力高等特點。目前，國際上PEM水電解制氫已邁入10MW級別示范應用階段。國內PEM水電解制氫的規模較小，仍處于從研發向工業化邁進的初期階段，與國外仍存在一定的差距，主要體現在功率等級、壽命、關鍵原材料自主化和系統成本等方面。預計在未來幾年中，PEM水電解制氫技術有望通過降低貴金屬含量或開發低成本材料等方法，實現成本效益和廣泛應用。

堿性電解水(ALK)制氫因其成本和壽命的優勢，是當前最成熟、市場應用最廣泛，適用于規?；迫【G氫的制氫技術，但仍存在電流密度低、工作壓力較低、電解能耗高等問題。國內外均開展了高效大功率ALK制氫關鍵技術研究及設備研制工作，我國的堿性電解水(ALK)制氫技術較為成熟，在自主化和先進性上均達到世界一流水平，目前正在積極推進大產氣量的制氫設備的研制工作。

海上制氫電解槽設備應滿足海洋環境條件下的防腐蝕要求和惡劣工況條件，在一定外界條件下正常制取、儲存和輸送，如制氫平臺的運動、風力發電的不穩定供應、儲運的條件等。能夠保證極端條件下的關斷與保護，如極端天氣、意外事故等。雖然傳統堿性水電解制氫技術具有設備國產化程度高、技術成熟度高、成本較低等優點，但是面對風電、光伏等發電波動性和隨機性較大的電源及深遠海域環境惡劣、長期無人值守的特點，PEM水電解制氫技術具有顯著的優勢。PEM水電解制氫電流密度高(額定工況下2~3A/cm2)，靈活，利于快速變載;只需對空氣濾網和凈水器濾芯、干燥劑等進行定期更換，全年維護時間小于8h，維護費用少，電池堆10年無需大修。這些優點使其更加適合與海上風電耦合組成海上風電制氫系統。

 2   海上氫儲運技術

氫氣具有重量輕、密度小、可液化、可與金屬及有機物發生化合反應等特點，可以通過海底管道或專用船舶等運輸載體，以高壓氣氫、液氫、有機液態氫(LOHC)、固態儲氫等多種形態儲運。具體氫儲運方式需要綜合運輸距離、地理位置和終端應用等因素來決策。主流的儲氫技術主要包括低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫以及金屬固態儲氫3種。

高壓氣態儲氫因為其設備結構簡單、成本低、充放氫速度快、技術相對成熟、壓縮氫氣能耗低等優點，是現階段技術最為成熟也是相對經濟的儲氫方式。高壓氣態儲氫可以采用不同結構類型或材料的高壓氣瓶作為容器，其主要問題是儲存能力有限，且金屬氣瓶重量大，易產生氫脆現象。因此，采用碳纖維、樹脂等非金屬材料實現儲氫氣瓶的高壓力和輕量化是目前的研究熱點，其關鍵是要探明氣瓶材料的氫及服役環境介質相容性。國內外均已具備成熟的設計制造能力，但尚缺乏高壓儲氫系統在海上環境的應用和示范。

固態儲氫具有安全高效、制儲一體、體積密度高、設備輕便等優點。應用研究較多的是合金儲氫。綜合考慮儲氫材料成本、使用可靠性等方面因素，鈦鐵合金儲氫研究最為廣泛。但是仍處在起步階段，成熟度不高，曾用于潛艇等軍工領域，商業化應用仍存在高工作溫度/壓力、脫氫不完全、催化劑價格高等難題。低溫液態重量儲氫密度較高，儲氫量大，適用于規?；h距離儲運場景。國外的氫液化技術發展較早，技術已很成熟，已商業化應用。美國等發達國家氫液化技術較為成熟，正通過對氫液化流程的創新，以及設備工藝及效率的提升等方法來降低能耗。國內氫液化裝置的產品質量、制造水平及系統能耗與國外技術相比還存在很大差距，需要突破低溫工況材料的選用，氫、氦透平膨脹機研制和正仲氫轉化催化劑等技術難題。

3種氫能儲存技術對比如表2所示。相比于陸地環境，海洋環境具有空間有限，高溫、高濕、高鹽、高紫外線等易腐蝕特點，在易腐蝕環境和浮式平臺運動工況下儲氫系統的安全性和可靠性與海洋環境適用性，還有待進一步驗證。

輸兩種方式海上氫能的輸送包括海底管道和專用船舶運。海底管道輸送氫氣可借鑒較為成熟的天然氣管道技術。但相比天然氣管道，氫氣管道的技術要求及建造成本更高。主要因為氫脆或氫腐蝕會對管道鋼材料產生不利影響，需要增加安全裕度，如利用已有的天然氣管道系統輸送氫氣，還需對天然氣摻氫比例進行研究;對于船舶運輸氫能，可將制備的氫氣以氣態或液體存儲到氫瓶組中，由運輸船海運到碼頭氫氣轉運場地，供陸上使用和消納。

氫氣經過低溫液化后，其密度為常溫、常壓下氣態氫的845倍，能量密度更高，因此氫氣以液體形式大規模運輸具有較高的工程應用價值。但由于液氫沸點很低，需要帶有絕熱系統的特殊容器，對液態氫的儲存罐組要求較高。遠距離大規模海上輸氫能力成為海上制氫發展的重要制約因素?？山梃b現有LNG大型運輸船薄膜型、B型艙及C型艙分類，開展適用于大型液氫運輸船的艙型或罐型技術路線分析，研究大型液氫圍護系統艙型及結構形式設計方案，綜合考慮結構形式及絕熱系統之間的相互影響，研制專門的大型氫能運輸船舶。

 3   海上制儲氫裝備

海上制儲氫裝備是指承載海上制氫設備、儲氫設備以及海上風機(如有時)的海上結構物，用于抵抗風、浪、流等外部惡劣海洋環境條件和生產功能載荷，為人員和設備提供保護。海上制氫裝備可以分為固定式結構和漂浮式結構。固定式海上制氫裝備主要指利用樁或其他形式將結構生根于海床，從而將載荷傳遞至海床，可分為單樁式基礎、導管架式基礎、負壓筒式基礎、重力式基礎以及高樁承臺等結構型式;漂浮式海上制氫裝備主要指結構漂浮于海面，利用系泊系統進行位置固定并抵抗外部載荷，可分為半潛式基礎、駁船式基礎、立柱式基礎及張力腿式基礎等結構型式。未來可能的主要海上制氫裝備結構型式如圖1所示。

海上制儲氫裝備集可再生能源、氫氣制取、氫能存儲等功能于一體，對設計提出了很大的挑戰。海上制氫裝備結構設計需綜合考慮作業水深，所遭受的環境載荷，極端條件下的結構抗力，如臺風、地震、海冰等條件下的結構響應;作業狀態下功能載荷的影響，還需計及與環境載荷的耦合效應，如風機載荷氣動與波浪載荷水動的耦合作用，漂浮式基礎還需考慮錨泊的恢復效應等;氫氣作為可燃可爆氣體，需考慮設備的總體布置和防火防爆設計，液體氫應注意低溫對材料、安全的不利影響，必要時進行失效模式與后果風險分析等;綜合評估制儲氫裝備與制儲氫設備的相互影響，如漂浮式基礎的運動響應對風機、制氫設備、動態電纜等的影響，必要時應提出對漂浮式基礎的運動限制。功能設備產生的載荷對制氫裝備結構強度也會產生一定影響，條件允許時應進行結構的一體化耦合分析設計。

總體上講，上述海上制儲氫裝備的結構型式在傳統海洋油氣行業的應用較為成熟，但在海上制氫領域才逐步開展應用，需要考慮特殊的載荷效應和不同的應用場景。但成熟技術的移植可為海上制氫裝備設計提供很好的借鑒和思路。

選擇何種型式的基礎結構主要取決于離岸距離、水深、海底條件、海況條件以及成本等多方面因素。海上制儲氫裝備主要結構形式對比如表3所示。在40m以下水深海域，裝備采用固定式單樁基礎結構最為經濟，國內外約有80%以上的海上風電機組采用此類結構;水深超過60m時，固定式基礎結構所受波浪載荷巨大，且最低固有頻率接近主波浪頻率，很難滿足設計要求，經濟性比較差，因此大水深海域宜采用漂浮式基礎結構。具不完全統計，隨著作業位置水深的不斷增加，建設成本占投資總成本的比例也大幅增加，因此，海上制氫裝備的合理選型與優化設計不可忽視。

 4   海上制儲氫方案

海上風電制氫系統主要由海上風電系統、水電解制氫系統、儲氫系統、氫運輸系統組成。根據各系統所處的位置不同，大致可分為3種解決方案:一是海上風電陸上制氫方案，如圖2所示;二是海上集中式水電解制氫方案，如圖3所示;三是海上分布式水電解制氫方案，如圖4所示。

海上風電陸上制氫方案中，電力在海上經升壓站、海底電纜等設施輸送至陸上制氫。其優點是制氫系統安裝與維護方便，空間限制較小，環境相對溫和，制氫系統可以作為電網調峰的有效手段。但隨著離岸距離的增加，海底電纜及海上升壓站或換流站的成本不斷增加，加之電力傳輸過程中存在的損耗，經濟性逐漸變差。

海上集中式水電解制氫方案中，電力通過海纜匯集到海上制儲氫裝備上，集中制氫并適當存儲，再利用船舶或海底管道運輸到岸上。其優點是不受水深限制，不用建設海上升壓站;也可借助已有海上油氣平臺或油氣管道，將油氣平臺改造為制氫平臺，有效降低項目投資。該方案可實現深遠海大規模風電制氫，是未來海上制氫產業鏈發展的重要方向。

海上分布式水電解制氫方案中，在每臺風電機組平臺上集成安裝模塊化的制氫設備，直接制取氫氣，并通過輸氣管道傳輸至岸上。該方案的優點是不需要建設單獨的海上制氫裝備，節省了集中制氫平臺成本。但需要依賴豐富的海底輸氣管道完成輸氫，且風機平臺空間狹小，制氫設備運行受到上部風機影響較為明顯。因此，制氫設備的模塊化集成技術以及風電制氫一體化耦合分析技術還有待進一步驗證和優化。

 5   國內海上風電制氫產業發展建議

中國海上風電制氫具有很大的發展潛力，尤其是深遠海浮式風電與制氫融合，是促進海上風電產業長期可持續發展的重要模式。但目前海上風電制氫產業鏈想要健康快速發展，仍需要解決頂層規劃、關鍵技術研發、經濟性及產業配套等多方面問題。

①加強頂層設計，做好統籌規劃，從國家層面制定相關法律法規，制定適用于我國的海上制氫產業鏈發展路線規劃總圖，進一步明確海上綠氫產業的發展方向。進一步健全海上氫能產業的監管法規，監督海上風電制氫產業健康有序發展。

②優化科技力量，加強全產業鏈協同創新，聯合戰略性科技力量加快海上“制、儲、輸、用”全過程的核心技術攻關，實現氫能高效利用、規模儲運、綠色生產相關海洋裝備和系統設備的研制與示范應用，加快核心技術產業化，形成具有自主知識產權的技術創新體系。

③建立健全海上制氫規范標準體系。安全性與經濟性的協調與優化是海上綠氫制儲運產業鏈發展的重要目標，規范標準體系的建立與完善是海上綠氫制儲運產業鏈健康、快速發展基礎性支撐。充分結合現有海洋油氣工程、陸上制氫存儲運輸行業的規范技術標準，確定海上制氫規范技術標準體系框架，形成完整的海上制氫全過程、全領域的技術標準體系，指導行業安全高質量發展。

④推進國際氫能科技合作，促進海上風電制氫產業國際化發展，充分利用和借鑒歐洲海上風電制氫發展經驗，鼓勵合作研發和技術引進，共同推進全球海上制氫產業鏈的創新發展。

 6   結語

海上風電與海上制氫的融合，不僅為海上風電的開發利用帶來了新的發展潛力，也為水電解制氫提供了取之不盡的綠色能源，真正實現了零碳排放的終極目標。從全球行業發展來看，海上風電制氫技術尚處于研究探索和應用示范階段，我國與國外發達國家相比水平差距不大，只要我們加強關鍵技術攻關，努力開展全行業協同創新，積極進行示范應用引領，實現彎道超車指日可見。