海上風電制氫技術(shù)展望

王立坤，郭 宇，陳秋華，袁東野，閆富勝，路 通

（中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452）

0 引言

由于當前全球溫室效應不可逆的現(xiàn)狀，世界各國極力推動傳統(tǒng)化石能源向低碳化、無碳化的轉(zhuǎn)變?；诋斚履茉葱蝿莺臀磥戆l(fā)展方向的判斷，國務院制定了“碳中和”和“碳達峰”的能源戰(zhàn)略目標[1-3]。

氫元素約占整體宇宙質(zhì)量的70%，燃燒過程中熱量釋放能級優(yōu)于化石燃料，燃燒后反應生成水，過程中實現(xiàn)零排放，無碳化并且產(chǎn)物可用于再度制氫，在化工生產(chǎn)過程中還可作為還原劑的有效替代產(chǎn)品。因其清潔環(huán)保、高效靈活且循環(huán)使用的特點受到了各國學者的廣泛關(guān)注[4]。

我國制氫技術(shù)日趨完善，已經(jīng)實現(xiàn)氫能商業(yè)化轉(zhuǎn)化。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計，30 年后氫能在我國能源占比將會增加10 倍，成為消費主導能源之一。電解水制氫相較于技術(shù)成熟、污染較大的化石燃料制氫而言，成本、技術(shù)相差較大，但其設(shè)備簡單、運行穩(wěn)定，真正實現(xiàn)了整體過程無碳化，發(fā)展前景廣闊。電解水制氫通常使用風能、太陽能、核能等清潔能源。

近年來，我國海上風電發(fā)展勢頭迅猛[5]，僅2021 年一年的裝機量超以往總數(shù)約2 倍，總裝機量約占世界總量50%，躍居世界第一。在此條件下海上風能和氫能相互促進，即利用海上風電電解海水制備氫氣，不僅能夠解決海上風電并網(wǎng)消納，運輸成本較高等問題，還可提升氫氣產(chǎn)量，增加能源密度，二者互利共贏將會是未來發(fā)展的大趨勢。因此海上制氫成為當前清潔能源領(lǐng)域重點研究方向之一。

本文通過對海上風電制氫的技術(shù)路線，國外相應項目經(jīng)驗，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局等3 個方面的分析對我國海上風電制氫的未來發(fā)展進行綜合預測。

1 海上風電制氫技術(shù)路線

1.1 海上風電制氫系統(tǒng)

海上風電制氫裝備由海上風力渦輪發(fā)電機、電解槽、儲氫罐及運輸管道組成。根據(jù)電解槽位置的不同，制氫系統(tǒng)分為海上和陸上制氫兩種（圖1）[6]。

圖1 海上風電制氫系統(tǒng)

1.2 陸上電解水制氫方案

海上風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)由傳統(tǒng)電纜輸送到陸地，由陸地根據(jù)市場情況靈活選擇直接售賣電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換為氫能儲存。該方案操作靈活，在后續(xù)的維修養(yǎng)護也有明顯優(yōu)勢，但電纜在傳輸過程中能量損失明顯，發(fā)電機距離岸邊越遠，電纜中能量損耗呈倍數(shù)上升，在我國不斷向深水乃至超深水平臺建設(shè)的趨勢下，陸上制氫成本將逐年遞增。

1.3 海上電解水制氫方案

將海上平臺轉(zhuǎn)換為制氫平臺，可以將電能直接轉(zhuǎn)換為氫氣儲存，再經(jīng)輸氣管道傳輸?shù)疥懙刂苯邮褂?，傳輸相同能量時，輸氣管道產(chǎn)生的損耗相比于陸地制氫方案中電纜造成的損耗可忽略不計，海上風電系統(tǒng)逐漸由輸電向輸氣轉(zhuǎn)換。根據(jù)海上電解水制氫系統(tǒng)形式的不同，后者又可以進一步分為集中式和分布式2 種（圖2）[7]。

圖2 海水電解制氫方式

集中式方式通過構(gòu)建海上發(fā)電機和海上平臺間電氣轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，從源頭處減少能量在電纜中傳輸損耗，其優(yōu)點是可以利用現(xiàn)有平臺或油氣管道，降低前期投入成本。

分布式電解水制氫方案中，通過在發(fā)電機底部安裝完整設(shè)備，直接賦予發(fā)電機制氫能力，將產(chǎn)生氫氣匯聚到主管道內(nèi)，經(jīng)由主管道壓縮后向陸地傳輸。該方式降低對海上平臺的依賴性，大幅降低前期成本和過程中能量損失。但由于海上氣候多變，風力發(fā)電機受海浪、微生物、臺風等因素影響，故障率居高不下，海上維修成本過高，導致該方案仍需持續(xù)優(yōu)化，技術(shù)進一步突破。

2 海上風電制氫技術(shù)

目前電解水制氫的主要技術(shù)可分為4 種，即堿性電解水制氫（AEL）、質(zhì)子交換膜（PEMEL）電解水制氫、固態(tài)氧化物電解水制氫（SOEL）和固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫（SPE）。

2.1 堿性電解水制氫

以20%～30%（w.t.）NaOH 或KOH 為電解液，通過外加電源將H2O 電離為H+和OH-，氫離子和氫氧根離子在陰陽極電場力作用下在隔膜處得失電子，生成氫分子和氧分子。但此時氣體呈堿性，需進一步增加PH 值做脫堿處理。堿性電解制氫是現(xiàn)有制氫技術(shù)中最為成熟，工業(yè)化化程度最高（每小時可達1000 Nm3），成本最低的技術(shù)。但堿性電解能量轉(zhuǎn)換率最高只能達到60%，堿性溶液易和空氣中的CO2發(fā)生反應生成難溶于水的碳酸鹽，提高反應所需能量、降低反應效率，并對波動性較高的能源以匹配。

2.2 固態(tài)氧化物電解水制氫

由氫電極層（NiYSZ）、電解質(zhì)層（YSZ）、氧電極層（LSCF）構(gòu)成，當電解池外部施加一定電壓，水分子在氫電極層的作用下分解生成氫氣，反應式如下：

該技術(shù)相對于低溫電解，可有效降低成本且制氫效率高，但電解槽啟動速度慢、材料退化速度快等缺陷導致現(xiàn)有技術(shù)成熟度較低，無法應用于海上風電制氫項目。

2.3 固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫

將電催化劑附著于膜表面，形成復合型膜電極，通過膜上附著電解質(zhì)與電解液中溶質(zhì)發(fā)生置換，反應產(chǎn)物易分離，反應效率極高，極大降低了腐蝕的發(fā)生，使用壽命極長，同時因僅對氫離子單向?qū)ǎ瞥龅臍錃鈿怏w純度極高，但目前膜及相關(guān)配件制作成本較高，SPE 僅限于實驗室使用，無法大規(guī)模應用。

2.4 固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫

電解池由質(zhì)子交換膜、陰陽級催化層和擴散層、雙極板構(gòu)成（圖3）[8]。其中催化層、擴散層和交換膜共同組成膜電極，是析氫、析氧反應發(fā)生的主區(qū)間，同時作為整體電解槽中關(guān)鍵部位——質(zhì)子交換膜，它承擔著傳輸質(zhì)子，讓擴散層中生成的氫氣、氧氣分離，為催化層提供支撐的作用，交換膜性能的優(yōu)劣直接決定著工藝生產(chǎn)效率和相關(guān)配件使用年限。例如，全氟磺酸膜（PFSA）作為主要用膜，自身較低的通透率使得在電流密度較高時PEMEL 仍正常進行。交換膜作為離子導體，制備效率快，產(chǎn)生的氫氣純度≥99.99%，無廢液產(chǎn)生，并可實現(xiàn)更高壓力的輸出，是電解水制氫技術(shù)中最具有發(fā)展前景和商業(yè)潛力的制氫技術(shù)之一。

圖3 PEMEL 組成

LEO TJ[9]等通過社會、經(jīng)濟、環(huán)境等多方面指標對上述4種技術(shù)進行評判，結(jié)果表明PEMEL 優(yōu)勢明顯。相較于SPE，實現(xiàn)商業(yè)化而SPE 現(xiàn)僅限于實驗室使用；相較于AEL，質(zhì)子交換膜替代石棉隔膜，隔絕兩側(cè)氣體交匯，氣體純度更高，并無強堿性廢液生成，同時自身零間隙結(jié)構(gòu)使得電解槽體力更為緊致，雙極板之間電阻降低，電解池性能大幅度上升，運行時電流密度為1 A/cm 約為AEL 電流4 倍以上，同時PEMEL 與風能、光能等可再生能源的波動性具有高度適配性；相較于SOEL，一般5 ℃以上便可啟動且啟動時間為毫秒級，可在整體負壓下靈活生產(chǎn)，雖然SOEL 制氫效率略高于PEMEL，但其反應所需溫度較高（800～1000 ℃）、開關(guān)之間所需時間過長，材料自身膨脹系數(shù)的不同，使得電解槽使用年限較低，商業(yè)化程度仍處于起步階段。

整體上，PEMEL 與海上風電制氫方案中集中式和分布式電解水制氫適配性俱佳，是海上未來發(fā)展的重要方向之一。但質(zhì)子交換膜制作工藝復雜，陰陽極材料均由貴金屬制成，同時由于新能源波動性較強，間歇性供能導致運行過程中面臨多次驟開驟停，對電解池耐用性是一種挑戰(zhàn)。以上因素是制約該技術(shù)進一步發(fā)展的瓶頸和未來研究的關(guān)鍵。

3 海上風電制氫的發(fā)展

海上風電制氫作為Power-to-Gas 實際應用的經(jīng)典體現(xiàn)，根據(jù)國際能源署預計在2040 年超半數(shù)能源由可再生新能源提供，氫能將占據(jù)工業(yè)能源70%以上，海上風電需求呈現(xiàn)直線遞增。在此背景下，世界各國認為海上風電制氫將會是海上風電向深遠海開發(fā)的破局關(guān)鍵。

3.1 國外研究現(xiàn)狀和經(jīng)典項目

MCKEOGH E 等[10]通過綜合風力發(fā)電量、制氫產(chǎn)量、預測成本以及資金回報率等多方面因素進行綜合性仿真模擬，對海上風電制氫可靠性做出進一步確定。KIM K 等[11]通過對敏感性分析、凈利潤值計算外加蒙特卡羅模擬，從經(jīng)濟性角度分析出海上制氫技術(shù)中分布式制氫技術(shù)方案最具有經(jīng)濟潛力。

海上風電制氫典型項目大多集中在德國、丹麥、荷蘭等傳統(tǒng)歐洲科技強國，截至目前，已有大量項目興建[12-14]。

德國聯(lián)邦政府同意投資3000 萬歐元籌備Westküste 100 項目，目的實現(xiàn)海上風電制氫在航空航天、工業(yè)、民生等多方面的未來發(fā)展，項目完成后將會實現(xiàn)行業(yè)大量耦合和近700 MW 電解槽系統(tǒng)建立。

荷蘭實現(xiàn)海上風電，氫能和天然氣綜合管理運行建立世界上首個海上風電制氫項目——PosHYdon，以Q13a-A 平臺作為試驗平臺驗證海上風電制氫的可行性，氫氣產(chǎn)出后與天然氣混合，通過已有天然氣管道并入國家管網(wǎng)。

丹麥風電巨鱷宣布將于2030 年建成1 GW 電解槽和荷蘭北海中2 GW 電解槽連接，產(chǎn)出氫氣將通過管道實現(xiàn)跨境運輸，二期工程完工穩(wěn)定后輸入國家氫網(wǎng)。

3.2 國內(nèi)產(chǎn)業(yè)布局及政策

我國海上風電制氫自2020 年起始[15-16]，雖起步較晚，但我國海上風電發(fā)展速度已躍居世界第一，在碳中和、碳達峰目標下，各地政府積極響應加快相關(guān)布局。

廣東省印發(fā)《促進海上風電有序開發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的實施方案》，提出重視海上風電的綜合應用，以海上風電為著力點，帶動相關(guān)經(jīng)濟發(fā)展；《浙江省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，因地制宜，大力推動海上風電建設(shè)，通過海上風電規(guī)?；瘜崿F(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，組合研發(fā)海上風電制氫等相關(guān)新技術(shù)新模式；《山東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，以海上風電作為主戰(zhàn)場，發(fā)揮地方優(yōu)勢，將可再生能源在社會用電量占比提升19%，圍繞創(chuàng)建“東方氫島”，創(chuàng)立氫進萬家科技示范工程，加快推進能源側(cè)結(jié)構(gòu)改革。

項目實施方面，中海油海上制氫工藝技術(shù)研究招標公告發(fā)布，項目終旨對海上風電制氫技術(shù)路線和方案推陳出新，并針對新的工藝方案和技術(shù)路線的可行性和經(jīng)濟性與同濟大學展開研究。于2020 年7 月，集團下屬子公司——中海油能源發(fā)展股份有限公司，和全球最大氣體供應商——Linde 集團簽訂合作意向書，雙方結(jié)合自身優(yōu)勢，攜手推動并開發(fā)中國氫能市場。

2022 年5 月中海油在青島建造的我國首個水深過百、離岸超百公里的雙百深遠海海上風電項目進入實施階段，項目預計減碳50～60 萬噸，成為海上油田與風電融合的新標桿，同時打破風電潛水開發(fā)的限制，為我國海上風電規(guī)模化發(fā)展提供強有力支持。

4 結(jié)論

我國海上風電制氫方向商業(yè)潛力巨大，是未來促進能源結(jié)構(gòu)改革，建立新能源體系的重要模式之一。隨著我國不斷向深遠海推進，海上電解水制氫方案將成為未來大熱方向。電解水制氫技術(shù)中PEMEL 因其自身反應快，產(chǎn)生氫氣純度高，占地面積小與海上風電高度適配性等優(yōu)秀性能將會是海上風電制氫方案中重點技術(shù)，實現(xiàn)PEMEL 大規(guī)模商業(yè)化仍需在制氫成本即降低貴金屬使用，研究新型膜合成路線，開發(fā)高性能催化劑，延長電池耐用性3 個方面的突破。

隨著對氫能需求的進一步增加，我國需參考國際先進經(jīng)驗，結(jié)合當前國情制定并完善海上風電制氫的標準和檢測體系，同時加強對國內(nèi)氫能體系的頂層設(shè)計，為企業(yè)發(fā)展提供大方向，避免無謂消耗，進一步落實相關(guān)政策，利用現(xiàn)有設(shè)施，穩(wěn)步推進海上風電制氫工業(yè)化發(fā)展。讓海上風電制氫成為我國能源轉(zhuǎn)型中的重要推動力，早日達成“雙碳”目標。