隨著海上風(fēng)電行業(yè)大規(guī)模快速發(fā)展，海上風(fēng)電從近海走向深遠(yuǎn)海是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)階段，深遠(yuǎn)海風(fēng)電開(kāi)發(fā)面臨離岸距離遠(yuǎn)、電力輸送成本較高等制約性問(wèn)題。
“海上風(fēng)電+海上制氫”通過(guò)開(kāi)發(fā)模式融合，可有效降低深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電資源開(kāi)發(fā)成本，緩解電力消納難題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程提供綠色清潔能源，是具備巨大開(kāi)發(fā)潛力的清潔能源研究方向。
目前多個(gè)國(guó)家已進(jìn)軍“海上風(fēng)電+制氫”領(lǐng)域，進(jìn)行試點(diǎn)示范項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。我國(guó)海上風(fēng)電制氫尚處于探索階段，還有諸多技術(shù)難題亟待解決。
“海上風(fēng)電+海上制氫”開(kāi)發(fā)模式介紹
海上風(fēng)電制氫技術(shù)路線大多采用“風(fēng)力發(fā)電+海水淡化+PEM電解槽制氫”。
海上風(fēng)電制氫可行性和經(jīng)濟(jì)性主要受離岸距離、基礎(chǔ)設(shè)施條件、電解技術(shù)、儲(chǔ)氫技術(shù)等因素影響，基于這些因素形成了以下四種不同的制氫開(kāi)發(fā)模式：
“風(fēng)電平臺(tái)+電解設(shè)備”
該模式屬于分散式制氫，適用于新建海上風(fēng)電場(chǎng)，通過(guò)在風(fēng)機(jī)平臺(tái)上設(shè)置水電解制氫設(shè)備實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的分散式制氫。主要優(yōu)點(diǎn)是，單個(gè)電解槽發(fā)生故障，不影響其余風(fēng)機(jī)繼續(xù)生產(chǎn)氫氣。以下項(xiàng)目屬于該開(kāi)發(fā)模式：
英國(guó)Dolphyn項(xiàng)目總裝機(jī)容量400萬(wàn)千瓦，將電解制氫模塊和風(fēng)力發(fā)電模塊集成在半潛式風(fēng)機(jī)平臺(tái)上，氫氣通過(guò)北海現(xiàn)有油氣管道輸往英國(guó)本土。
圖1 英國(guó)Dolphyn項(xiàng)目整體方案示意
圖2 Dolphyn項(xiàng)目風(fēng)機(jī)平臺(tái)制氫方案
挪威Deep Purple項(xiàng)目風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能全部在風(fēng)機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行電解制氫，通過(guò)海管輸送到陸地。
圖3 Deep Purple項(xiàng)目氫海管輸送方案
瑞典Hydrogen Turbine 1項(xiàng)目將在蘇格蘭海上風(fēng)電場(chǎng)1臺(tái)8.8MW風(fēng)機(jī)的導(dǎo)管架平臺(tái)上安裝PEM電解槽就地制氫，預(yù)計(jì)將于2025年建成投運(yùn)。
圖4 Hydrogen Turbine 1項(xiàng)目方案示意
德國(guó)AquaPrimus項(xiàng)目將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)制造的氫氣匯總后輸送到海底，存儲(chǔ)在專用的高壓儲(chǔ)罐中，通過(guò)海底管道輸送至陸地終端。該項(xiàng)目計(jì)劃2025年在黑爾戈蘭島外海兩臺(tái)14兆瓦的風(fēng)機(jī)平臺(tái)上各安裝一個(gè)電解槽。
圖5 AquaPrimus項(xiàng)目分散式制氫平臺(tái)示意
“海上風(fēng)電+新建海上平臺(tái)+電解設(shè)備”
該模式屬于集中制氫，適用于離岸較遠(yuǎn)的風(fēng)電場(chǎng)以及分散式制氫不經(jīng)濟(jì)的風(fēng)電場(chǎng)，通過(guò)新建海上集中式制氫平臺(tái)，減少電力傳輸損耗，集中制氫。以下項(xiàng)目屬于該開(kāi)發(fā)模式：
日本JIDAI項(xiàng)目位于北海道海岸，風(fēng)電場(chǎng)電能匯總至半潛制氫平臺(tái)，生產(chǎn)的氫氣壓縮儲(chǔ)存在半潛平臺(tái)儲(chǔ)氣罐系統(tǒng)，通過(guò)穿梭油輪進(jìn)行外輸，計(jì)劃2030年前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
圖6 JIDAI項(xiàng)目項(xiàng)目制氫方案示意
比利時(shí)Tractebel Overdick項(xiàng)目將400MW海上風(fēng)電場(chǎng)的電能送至海上升壓站。升壓站將一部分電力輸送至陸地并網(wǎng)進(jìn)行陸地電解槽電解制氫，另一部分電力用于在新建固定式制氫平臺(tái)上進(jìn)行電解制氫，產(chǎn)生的氫氣儲(chǔ)存在地下鹽穴中，通過(guò)穿梭油輪或海底管道輸送至陸地氫網(wǎng)。
圖7 Tractebel Overdick項(xiàng)目方案示意
圖8 Tractebel Overdick項(xiàng)目制氫平臺(tái)
德國(guó)AquaSector項(xiàng)目在制氫平臺(tái)制氫，平臺(tái)不儲(chǔ)存氫氣，通過(guò)海底管道外輸至陸地終端。計(jì)劃在2028年建成300MW電解槽容量，每年可在海上生產(chǎn)多達(dá)20,000噸綠色氫氣，預(yù)計(jì)2033年完成10GW風(fēng)電制氫。
與海上發(fā)電輸送至陸地相比，海上制氫和管道輸送具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)評(píng)估，該項(xiàng)目輸氫管道可以取代五個(gè)高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)和平臺(tái)，具有較好的成本效益。
圖9 AuqaSector項(xiàng)目集中式制氫方案示意
法國(guó)Sealhyfe項(xiàng)目目標(biāo)是在浮式平臺(tái)生產(chǎn)可再生綠色氫，通過(guò)配備1MW電解槽，每日最高可生產(chǎn)400公斤可再生綠色氫氣。該項(xiàng)目計(jì)劃2030年海上裝機(jī)容量約為3GW。
圖10 Sealhyfe項(xiàng)目方案示意
“海上風(fēng)電+舊平臺(tái)改裝+電解設(shè)備”
海上風(fēng)電制氫就近利用即將退役的油氣平臺(tái)改造為制氫平臺(tái)，并利用現(xiàn)有的油氣管道輸送氫氣，從而降低成本。其優(yōu)點(diǎn)是可以有效降低項(xiàng)目投資成本。DNV通過(guò)Re-Stream項(xiàng)目評(píng)估現(xiàn)有油氣管道傳輸純氫的方案，得出大多數(shù)海上管道都可以再用于純氫輸送的結(jié)論。
荷蘭Q13-a平臺(tái)改裝項(xiàng)目屬于該模式，將把北海海域的三種能源形式：海上風(fēng)能、海上天然氣和氫能，有機(jī)統(tǒng)一到一起，目的是驗(yàn)證海上風(fēng)電制氫的可行性，以及能源系統(tǒng)一體化運(yùn)行情況。
圖11 Q13a-A海上平臺(tái)制氫改裝項(xiàng)目
“海上風(fēng)電+陸上電解”
適用于近岸海上風(fēng)電場(chǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是具有較高的靈活性，制氫系統(tǒng)可以作為電網(wǎng)調(diào)峰的有效手段，在陸上完成氫氣的制取和儲(chǔ)運(yùn)，也具有系統(tǒng)安裝維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)。
英國(guó)Gigastack項(xiàng)目屬于該模式，將100MW海上風(fēng)力場(chǎng)產(chǎn)生的電能輸送至陸地，電解槽位于陸上變電站下游。快速響應(yīng)電解槽使氫氣生產(chǎn)能夠靈活的參與電網(wǎng)平衡活動(dòng)，將對(duì)輸電網(wǎng)的影響降至最低。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)年電解槽制造能力到2025年增加到1GW。
圖12 Gigastack項(xiàng)目方案示意
結(jié)語(yǔ)
“海上風(fēng)電+海水制氫”技術(shù)路徑極具前景，但目前由于高昂的設(shè)備成本和建設(shè)成本，影響了該開(kāi)發(fā)模式的經(jīng)濟(jì)效益，阻礙了發(fā)展。隨著海水制氫技術(shù)的成熟，綠氫生產(chǎn)成本有望顯著降低。
隨著能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型以及國(guó)家政策對(duì)綠氫產(chǎn)業(yè)的扶持，“海上風(fēng)電+海水制氫”將逐步具有經(jīng)濟(jì)可行性，可實(shí)現(xiàn)海水制氫規(guī)模化開(kāi)發(fā)。
