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。現(xiàn)階段，深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)面臨離岸距離遠(yuǎn)、電力輸送成本較高等制約性問題。
“海上風(fēng)電+海上制氫”通過開發(fā)模式融合，可有效降低深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電資源開發(fā)成本，緩解電力消納難題，同時實(shí)現(xiàn)全過程提供綠色清潔能源，是具備巨大開發(fā)潛力的清潔能源研究方向。
目前多個國家已進(jìn)軍“海上風(fēng)電+制氫”領(lǐng)域，進(jìn)行試點(diǎn)示范項目開發(fā)。我國海上風(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發(fā)模式：
“風(fēng)電平臺+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，通過在風(fēng)機(jī)平臺上設(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。以下項目屬于該開發(fā)模式：
英國Dolphyn項目總裝機(jī)容量400萬千瓦，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)平臺上，氫氣通過北海現(xiàn)有油氣管道輸往英國本土。
圖1 英國Dolphyn項目整體方案示意
圖2 Dolphyn項目風(fēng)機(jī)平臺制氫方案
挪威Deep Purple項目風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電能全部在風(fēng)機(jī)平臺上進(jìn)行電解制氫，通過海管輸送到陸地。
圖3 Deep Purple項目氫海管輸送方案
瑞典Hydrogen Turbine 1項目將在蘇格蘭海上風(fēng)電場1臺8.8MW風(fēng)機(jī)的導(dǎo)管架平臺上安裝PEM電解槽就地制氫，預(yù)計將于2025年建成投運(yùn)。
圖4 Hydrogen Turbine 1項目方案示意
德國AquaPrimus項目將風(fēng)電場風(fēng)機(jī)制造的氫氣匯總后輸送到海底，存儲在專用的高壓儲罐中，通過海底管道輸送至陸地終端。該項目計劃2025年在黑爾戈蘭島外海兩臺14兆瓦的風(fēng)機(jī)平臺上各安裝一個電解槽。
圖5 AquaPrimus項目分散式制氫平臺示意
“海上風(fēng)電+新建海上平臺+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)電場以及分散式制氫不經(jīng)濟(jì)的風(fēng)電場，通過新建海上集中式制氫平臺，減少電力傳輸損耗，集中制氫。以下項目屬于該開發(fā)模式：
日本JIDAI項目位于北海道海岸，風(fēng)電場電能匯總至半潛制氫平臺，生產(chǎn)的氫氣壓縮儲存在半潛平臺儲氣罐系統(tǒng)，通過穿梭油輪進(jìn)行外輸，計劃2030年前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
圖6 JIDAI項目項目制氫方案示意
比利時Tractebel Overdick項目將400MW海上風(fēng)電場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上進(jìn)行電解制氫，產(chǎn)生的氫氣儲存在地下鹽穴中，通過穿梭油輪或海底管道輸送至陸地氫網(wǎng)。
圖7 Tractebel Overdick項目方案示意
圖8 Tractebel Overdick項目制氫平臺
德國AquaSector項目在制氫平臺制氫，平臺不儲存氫氣，通過海底管道外輸至陸地終端。計劃在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。經(jīng)評估，該項目輸氫管道可以取代五個高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)和平臺，具有較好的成本效益。
圖9 AuqaSector項目集中式制氫方案示意
法國Sealhyfe項目目標(biāo)是在浮式平臺生產(chǎn)可再生綠色氫，通過配備1MW電解槽，每日最高可生產(chǎn)400公斤可再生綠色氫氣。該項目計劃2030年海上裝機(jī)容量約為3GW。
圖10 Sealhyfe項目方案示意
“海上風(fēng)電+舊平臺改裝+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改造為制氫平臺，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)是可以有效降低項目投資成本。DNV通過Re-Stream項目評估現(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平臺改裝項目屬于該模式，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海上平臺制氫改裝項目
“海上風(fēng)電+陸上電解”
適用于近岸海上風(fēng)電場，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運(yùn)，也具有系統(tǒng)安裝維護(hù)方便的優(yōu)勢。
英國Gigastack項目屬于該模式，將100MW海上風(fēng)力場產(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，將對輸電網(wǎng)的影響降至最低。該項目預(yù)計年電解槽制造能力到2025年增加到1GW。
圖12 Gigastack項目方案示意
結(jié)語
“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)型以及國家政策對綠氫產(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)模化開發(fā)。
