海上风电制氢发展趋势及前景展望

海上风电制氢发展趋势及前景展望

张高翔

海洋石油工程股份有限公司设计院    天津市   300457

摘要：可再生能源电力供应具有可变性，随着接入电网的可再生能源增加，其面临新的挑战。因此，开发新的储能方法至关重要。氢作为能量载体，可以起到储能的作用。在构建以新能源为主体的新型电力系统背景下，海上风电制氢是能源技术领域的一次重大创新，对海上风电和氢能发展将是一种双赢的解决方案，分析研究其发展趋势可为未来能源安全提供新的发展方向。风电制氢技术的应用，不仅可以使风能利用率得到有效提高，而且还能够缓解弃风问题，因此现阶段需要对风电制氢技术加大研究力度。本文主要针对风电制氢技术进行分析，并针对风电制氢技术的未来发展进行阐述。

关键词：海上风电；制氢发展趋势；前景展望

引言

氢气作为一种能量载体，具有多种潜在应用，常规制氢以化石燃料为基础，会排放大量二氧化碳，随着电解和可再生能源技术取得重大进展，以合理的价格生产“绿氢”成为可能。此外，随着政府推动减少碳排放和降低对化石燃料的依赖，未来几年市场对“绿氢”的需求将大幅上升。在激励政策的帮助下，“绿氢”正在世界范围内进行重大研究。风力发电约占世界电力的5%，大部分安装在陆上。然而，海上具有更高的风速和更一致的风，这意味着海上风机将产生更高的能量，但同时海上风电制氢技术也面临重大挑战。挑战之一是将电力输送回岸上，因为传统的交流电力电缆具有较高的电容，比架空线路的损耗更高，并且高压直流（HVDC）系统两端都需要换流站和价格昂贵的传输线。与通过海上电缆传输电力相比，管道输送天然气的损失（小于0.1%）要小得多，因此可以在海上生产氢气，并通过管道将其输送到岸上。从经济角度来看，海上管道的单位长度成本高于海上电缆，但管道的能量传输能力大于电缆，与传输相同能量的等效海上电缆相比，标准化管道投资成本更低。因此，海上风电制氢技术引起广泛关注。

1海上风电制氢前景展望

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。现急需建设一批示范工程，完成大规模商业化、市场化和产业化推广应用，这不仅能够解决我国能源系统的矛盾和难题，还会创造出若干个新兴产业，为实现我国经济转型升级和快速发展提供新的思路，也有利于推进经济体制深化改革，成为我国全面深化改革的重要抓手。在国家规划和业界技术进步的助推下，海上风电和氢能的发展道路会越来越宽广。

2海上风电制氢发展趋势

2.1海上风电电解水制氢技术

目前电解水制氢主要分为碱性电解水制氢、质子交换膜(proton exchange membrane，PEM)电解水制氢、固态氧化物电解水制氢和固体聚合物阴离子交换膜电解水制氢4种技术路线。其中：固态氧化物电解水制氢效率最高，但工作温度高(700~900℃)，寿命较低，电解槽启停不便，目前仍处于初期示范阶段，不适合应用于海上风电制氢；固体聚合物阴离子交换膜电解水制氢工作温度较低(40-60℃)，能够实现快速启停，现尚处于实验室研发起步阶段，短期内无法应用于海上风电制氢。目前，可用于海上风电应用场景的电解水制氢技术主要是碱性电解水制氢和PEM电解水制氢技术。碱性电解水制氢是已充分产业化的成熟技术，工作温度适中(70-90℃)，但启停响应时间较长，电流密度较低，存在渗碱污染环境问题，且需要对碱性流体进行复杂的维护。此外，生产氢气的输出压力较低，储运时需要额外加压，一定程度上削弱了初期投资成本较低的优势。综合来看，碱性电解水制氢技术更适用于陆上电解水制氢方案。

2.2海上风电制氢储运技术

海上风电制氢储运技术储氢技术主要分为物理储氢、化学储氢和多孔材料吸附储氢3类。目前，应用于海上风电制氢的储氢技术主要是物理储氢。物理储氢主要包括高压气态储氢、低温液态储氢和低温高压储氢3种方式。高压气态储氢技术成熟度高，存储压力一般是20-100MPa，但储氢密度较低。高压气态储氢具体又分为2种，一种是成熟商业化的压力容器存储，其技术挑战在于压力容器的安全性设计、材料选择和制造工艺。为了满足商业化储氢密度要求，通常需要采用全复合材料压力容器，该容器内部采用塑料或金属衬里，外部采用聚合物基碳纤维复合材料缠绕制成，工作压力可以达到70MPa。此外，采用该储氢方式时还应关注可能引起的氢脆和氢腐蚀问题。另一种是采用地下天然结构(如含水层或盐穴)储氢，可解决海上储氢空间成本高的问题，被认为是储存大量气态氢最具成本效益的方式。其中，含水层储氢的密封性不如盐穴，因氢气分子小，导致泄漏率明显增加。盐穴是比较理想的地下储氢结构，具有施工成本低、泄漏率低、提取和注入速度快，以及细菌活动少(某些细菌会分解氢，造成氢纯度降低)等优点；其缺点是受到地质条件限制，无法大范围推广。

3氢能制取和储存技术

3.1电解水制氢技术

目前，主要有2种电解水制氢技术用于商业生产：碱性电解制氢和质子交换膜电解制氢。另一项正在进行深入研究和开发的技术是固体氧化物电解制氢，该技术具有高效和灵活的优点，但需要在高温（700-900℃）环境下工作。碱性电解制氢是当前最成熟、市场应用最广泛的技术，但与其他技术相比，它存在许多缺点，例如气体纯度较低、操作压力较低和能耗较高。由于工作压力较低，下游应用需要额外的氢气压缩。研究人员目前正在从不同方面努力提高其性能。例如，Poimenidis等人发现，激光纳米结构镍电极作为阴极可以提高制氢效率。为了分析海洋条件对电解槽性能的影响，Amores等人研究了海上应用的碱性水电解。Burgos等人分析了温度对碱性水电解系统的影响。质子交换膜电解制氢具有启动快速、高电流密度、高输出压力以及超过额定功率运行等特点，其电解槽占地面积更小以及在各种条件下可灵活操作的特性，使其很适合与海上风电耦合组成海上风电制氢系统。预计在未来几年中，质子交换膜电解制氢技术将通过降低电极铂等金属的含量或开发出成本更低的材料，以及对质子交换膜材料和催化剂的深入研究，实现该技术的成本效益和广泛应用。

3.2氢能储存技术

与其他类型的能源相比，氢能的最大优势在于它可以储存和运输。光伏、风电或水电产生的超发电力可以转化为氢能进行储存，提升可再生能源发电系统的消纳能力。因此，氢能的储存是现在研究热点之一。氢能储存有3种形式：压缩气体物理储存、低温液氢物理储存和固态储存。目前压缩气体和液氢储存是主流的氢能储存形式。由于储氢材料的高工作温度/压力、可逆性和慢动力学等因素的阻碍，固态储存技术仍处于研究开发阶段。

结束语

海上风电制氢不仅为海上风电发展带来了巨大的发展空间，而且为电解水制氢提供了绿色能源，形成了零碳排放制氢技术路线，二者的结合可有力促进实现碳达峰、碳中和目标。海上氢气输送和应用的创新方案为海上风电制氢的发展开拓了思路，用规模化应用倒逼成本下降。国家的有力支持和政策导向为海上风电制氢发展提供了政策保障。海上风电制氢将会带来显著的经济效益和社会效益，具有重要的理论研究价值和工程应用意义。

参考文献

［1］田甜，李怡雪，黄磊，等.海上风电制氢技术经济性对比分析［J］.电力建设，2021（12）：136-137.

［12］王秀丽，赵勃扬，郑伊俊，等.海上风力发电及送出技术与就地制氢的发展概述［J］.浙江电力，2021（10）：3-4.

[3]郭秀盈，李先明，许壮，等．可再生能源电解制氢成本分析[J]．储能科学与技术，2020(3)：688-689．