海上风电制氢前景展望

1.

>>>重要性<<<

      氢气能量密度高、能量转换效率优异且没有污染，是一种零碳排放的新能源，被认为是应对环境和能源问题的理想燃料。加快氢能经济体系建设，是实现碳达峰和碳中和的重要保证。国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出，要“集中力量开展低成本可再生能源制氢等技术创新”。通过与清洁电能耦合，电解水制氢能够实现零碳排放的制氢目标，是非常具有发展前景的清洁能源制备技术。但全球淡水资源短缺，海上风电制氢因其可利用的风资源巨大，不占用土地，海水资源丰富等优点，使其成为当下大规模开发氢能的最佳选择。

      风电耦合海水淡化制氢不仅可以供电，还可以供水，也可以提供氢燃料。有助于解决缺水海岛地域的淡水供应问题，同时通过可再生能源转化，解决了电力、燃料等的需求问题。

      沿海经济发达地区用能体量大，土地资源稀缺，陆上风光资源不能有效解决“双碳”目标，海上风电是必然选择。海上风电是实现能源安全、环境安全和产业安全的重要抓手，也是构筑重工业技术壁垒的重要渠道。海上风电协同新材料、海洋工程、人工智能、储能系统、能源与交通等多产业共同发展，可以形成万亿产业集群。

      借助风电制氢建立风储一体化系统，能够有效缓解海上风电快速增长和电网建设速度较慢之间的矛盾，解决海上风电消纳问题，提高风能利用率。

      针对远海海上风电高昂的电能送出成本，通过电解水方式，利用管道或船舶将氢气输送到用氢地，在成本和周期上都具备优势，也可利用现有的天然气管道，进一步降低运氢成本。风电制氢有望加速海上风电成本的降低，保证海上风电顺利进入平价上网时代。

      我国海上风电总规划为166.386GW，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。

2.

>>>技术路线<<<

      海上风电制氢系统主要由海上风力发电机组、电解水制氢系统和氢储运系统组成。传统电解水设备包含电解槽、氢侧系统、氧侧系统、补给水系统、碱液系统、纯水设备和氢气、氧气的存储设备以及相关的显示仪表和控制系统组成。

      电解槽是电解制氢的关键装置，基本原理是对2个电极施加外压，电流通过液体形成通路，电能的注入打破H2O内部平衡，发生裂解，氢原子与氧原子进行重组，最终产出H2 和O2。电解制氢的全过程可用以下反应方程表示：

2H₂O(电解)——>2H₂↑ +O₂ ↑ 

      电解产生的氢气、氧气连同部分溶液进入氢气、氧气分离器，分离出的溶液经过冷却与过滤掉固体杂质后重新返回电解槽，并随时补充一定量的电解质；另一方面分离出的氢气经过冷却器冷却降温后，再经过捕滴器去除夹带的水分，最后输送至存储容器中。

      海上风电经集电装置汇入海上电解槽平台，电解水产生氢气后进行液态或气态存储，最后经轮船或管道输送至陆地。

      与通过电缆输电和通过轮船输送气态、液态氢相比，管道运输所需管道成本较小，在大体量，长距离氢气运输中经济性更高。

     由于天然海水中的不溶物、易生成沉淀的钙镁离子以及具有腐蚀性的氯离子，目前的海水直接电解制氢技术还远达不到商业化大规模应用的需求。与海水直接电解制氢相比，海水淡化后制氢所需的投资成本是微不足道的。海水淡化技术已相对成熟，采用淡化后的海水制氢具有更大的耐久性和经济性。目前,海水淡化的成本已经可以控制在4~4.5元/t，海水淡化所消耗的能量仅占水电解消耗的0.7%。

      从经济性方面分析，目前最适宜的制氢路线为通过在深远海风场建立海上平台就地取水，海滩竖井取水以及近海取水的方式会增加额外的土建费用以及海水预处理费用。其次，随着风电发展的深远海化，通过远距离海底电缆的传输将会大大增加电力运输成本。因此，面向深远海的风电消纳通过制氢储能将会是最佳选择。此外，碱水电解槽是海水制氢的不二选择，质子交换膜电解槽由于其对贵金属催化剂的需求以及超高纯水进料，无疑会增加电解槽投资成本以及海水淡化的级数，并且会增加后续运维的难度。而固体氧化物电解槽虽然是未来最具潜力的一种电解制氢方式，但由于其应用场景有限，主要为配合高温水蒸气使用，并不适用于海水制氢。

3.

>>>氢氨融合发展<<<

      从技术角度，氨能是一种以氨为基础的新能源，既可以与氢能融合，解决氢能发展的重大瓶颈问题，也可以作为直接或者间接的无碳燃料直接应用，是实现高温零碳燃料的重要技术路线。

     与氢能相比，氨能在储存和运输上具有明显的优点。众所周知，氢能源作为最终的清洁能源，其发展势不可挡，但最终要实现氢能源的商业化，安全性差和储运困难是首要解决的问题。

      正是因为氢的储存和运输成本太高，氨开始受到更多的关注。氨由一个氮原子和三个氢原子组成，是天然的储氢介质；常压状态下，温度降低到零下33摄氏度就能够液化，便于安全运输。目前全球八成以上的氨用于生产化肥，因此氨有完备的贸易和运输体系。所以，从理论上来看，可以用可再生能源生产氢，再将氢转换为氨，运输到目的地。可以极大降低氢的运输成本，并且提高运输的安全性能。

     因此，海上分布式制氢平台可将海水电解的氢，再制成氨（或甲醇），便于大规模、长距离运输。

      今年8月30日，DNV宣布授予挪威H₂ Carrier公司提出的浮式生产储氨船概念设计原则性认可（AiP）证书，以肯定该设计的技术可行性。该方案将从风能、太阳能、水电或其他可再生能源中获取动力，从而生产并储存绿色液氨。该方案被称为P₂XFloater项目，会将现有的超大型气体运输船改装为浮式生产储卸装置（FPSO），然后从可再生能源中获取动力生产氢气，通过高压和高温的作用，结合氢气和氮气来生产绿色液氢，所需氮气也将在该装置上完成生产。该项目不仅可为过往船舶加注氨燃料，还可以向陆地供应清洁燃料。

      2021年8月，中国船舶集团风电发展有限公司与大船集团、中国科学院大连化学物理研究所、国创氢能科技有限公司四方签订《海上风电制氢/氨产业链创新及产业化战略合作（框架）协议》，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。

4.

>>>海上风电母港<<<

     “海上风电母港”这一概念最早诞生于欧洲，截至目前，英国、德国、丹麦等“老牌”海上风电国家均有运行成熟的“海上风电母港”。以丹麦为例，早在十多年前，丹麦就先于其他欧洲国家，制定了专门用于运输风机、叶片等货物的港口规划，不仅为丹麦的风电设备、安装船只提供了空间，更迅速占领了欧洲北海海上风电运维、物流等市场制高点。

      欧洲等国家海上风电事业起步较早，海上风电产业链条相对完善，从国际建设“海上风电母港”的经验来看，港口建设的主要目的是锁定项目资源，在港口储存项目所需货物，减少因供货不足而导致的施工待机时间，快速推进项目。不仅能够为海上风电场提供运营维护等服务，同时也能够成为新的制造中心，打通海上风电供应链，对满足海上风电场退役后的拆解运输需求也有所帮助。

      中国海运业历史悠久，具备建设大型港口的强大能力，但截至目前，中国海上风电机组的输送和安装大多仍是通过重新配置及协调现有港口工作来完成，并没有专门用于海上风电产业的港口。受限于非专业港口，中国海上风电项目开发商往往会在开工前几个月与港口进行接洽，港口租赁期也相对短暂，在统筹规划缺乏的情况下，这一模式不论对开发商或是港口方面都可能带来一定风险。

      为此，随着中国海上风电产业规模逐步扩大，中国海上风电产业对“海上风电母港”的需求预计也将逐步显现。“海上风电母港”的建设需要能够实现海上风电产业链集成，进行货品运输、装存以及后勤保障工作，风电母港不仅能够有效解决小散码头运输效率低下的问题，同时也能够满足中国海上风电迈入“深海”的需求。对现有港口而言，扩大土地面积、加固码头、加强深海港口建设等措施颇为重要。

      尽管目前中国有多地推出“海上风电母港”计划，但从公布的规划来看，仍是以“产业链生产基地”的模式推进港口项目，与“欧洲模式”存在明显不同，欧洲国家的‘海上风电母港’的建设难以由单一或多个开发商完成。中国海上风电产业链尚未成熟，目前海上风电处于“抢装期”，中国海上风电供应链暂时主要围绕着制造基地、船边交货这种模式，暂无产业链供应储备，在短期内将难以实现大规模的物流仓储。

      未来10年里，海上风电港口的建成不仅能够完善海上风电产业供应链，也能够为电解水制氢项目提供必要的条件。港口附近通常也有炼化等多种工业体系，理想情况下，风、光制得的氢气既能够储存于当地，也能够实现就地消纳。不仅如此，随着港口建设持续发展，港口也能够用作液氨等低碳燃料的储存地点。

5.

>>>结语<<<

      国外海上风电制氢的典型项目主要集中在欧洲，北海海域有大量的已建或待建海上风电项目作为支撑，最先进的绿氢全产业链技术在这里持续孵化。我国海上风电制氢起步较晚，但海上风电潜力巨大，3-5年内中国所有海域基本都可以实现平价，是沿海经济发达地区实现碳中和的必然选择。到十四五末部分地区度电成本可以做到3毛钱，EPC造价可以降至每千瓦1万元以内。“十五五”期间海上风电新增装机将会超过陆上风电。

      中国有300多万平方公里的海洋面积，1.8万公里海岸线，几乎涉及全部经济发达省份，海上风资源技术开发潜力超过35亿千瓦，潜力巨大，资源种类丰富，具备成为新煤炭、新石油的战略先决条件。

      未来，在市场驱动、政策支持下，随着海水制氢产业链制氢、储运氢、用氢等环节不断扩大与完善，海上风电制氢的发展将为相关产业的发展带来广阔的空间，辐射带动海水淡化、电解槽、海洋清洁能源、海洋能、海工装备、海上交通等领域的发展，产生巨大的经济效益，成为全球绿色低碳技术的制高点。