海上風(fēng)電制氫是未來(lái)綠氫生產(chǎn)的主力軍之一。近年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電迅速發(fā)展，2021年新增裝機(jī)容量為1690萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2638萬(wàn)千瓦，接近全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的一半，位居世界首位。海上風(fēng)電與制氫相融合，有望成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的重要模式，具有良好的推廣應(yīng)用前景。海上制氫的關(guān)鍵技術(shù)以及安全可靠性還有待進(jìn)一步研究論證，主要包括海洋高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線的惡劣環(huán)境對(duì)制儲(chǔ)氫工藝、設(shè)備的影響，浮動(dòng)式海洋平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對(duì)制儲(chǔ)氫工藝、設(shè)備的影響，海洋平臺(tái)空間狹仄對(duì)設(shè)備布置及系統(tǒng)模塊化集成技術(shù)的要求，海上可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性對(duì)制氫電解槽適應(yīng)性及穩(wěn)定性的要求，海上長(zhǎng)期無(wú)人值守對(duì)制儲(chǔ)氫設(shè)備安全可靠性、智能運(yùn)行與監(jiān)控的要求，遠(yuǎn)距離海上輸氫、運(yùn)氫的安全性要求，以及海上制氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的經(jīng)濟(jì)性要求等。
本文主要分析了全球海上風(fēng)電制氫技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)論述海上制氫技術(shù)、海上氫能儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、海上制儲(chǔ)氫裝備以及海上制儲(chǔ)氫方案4個(gè)方面;對(duì)國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電制氫技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)對(duì)策和建議，為我國(guó)海上風(fēng)電制氫技術(shù)與裝備的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。
一、海上制氫技術(shù)
海上制氫通常利用電解槽通過水電解制氫。水電解制氫主要分為質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEM)、堿性水電解制氫(ALK)、固態(tài)氧化物水電解制氫(SOEC)3種技術(shù)路線。主流水電解制氫技術(shù)對(duì)比如表1所示。固態(tài)氧化物水電解制氫效率最高，但電極材料穩(wěn)定性低，且工作溫度較高，致使電解槽壽命較短，目前僅處于初期研究階段。因此，可用于海上的水電解制氫技術(shù)主要是質(zhì)子交換膜水電解制氫(PEM)技術(shù)以及堿性水電解制氫(ALK)。
表1 目前主流水電解制氫技術(shù)對(duì)比
質(zhì)子交換膜電解制氫具有啟動(dòng)快速、電解槽體積小、電流密度高、輸出壓力高等特點(diǎn)。目前，國(guó)際上PEM水電解制氫已邁入10MW級(jí)別示范應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)PEM水電解制氫的規(guī)模較小，仍處于從研發(fā)向工業(yè)化邁進(jìn)的初期階段，與國(guó)外仍存在一定的差距，主要體現(xiàn)在功率等級(jí)、壽命、關(guān)鍵原材料自主化和系統(tǒng)成本等方面。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，PEM水電解制氫技術(shù)有望通過降低貴金屬含量或開發(fā)低成本材料等方法，實(shí)現(xiàn)成本效益和廣泛應(yīng)用。
堿性電解水(ALK)制氫因其成本和壽命的優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前最成熟、市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛，適用于規(guī)?；迫【G氫的制氫技術(shù)，但仍存在電流密度低、工作壓力較低、電解能耗高等問題。國(guó)內(nèi)外均開展了高效大功率ALK制氫關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)備研制工作，我國(guó)的堿性電解水(ALK)制氫技術(shù)較為成熟，在自主化和先進(jìn)性上均達(dá)到世界一流水平，目前正在積極推進(jìn)大產(chǎn)氣量的制氫設(shè)備的研制工作。
海上制氫電解槽設(shè)備應(yīng)滿足海洋環(huán)境條件下的防腐蝕要求和惡劣工況條件，在一定外界條件下正常制取、儲(chǔ)存和輸送，如制氫平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定供應(yīng)、儲(chǔ)運(yùn)的條件等。能夠保證極端條件下的關(guān)斷與保護(hù)，如極端天氣、意外事故等。雖然傳統(tǒng)堿性水電解制氫技術(shù)具有設(shè)備國(guó)產(chǎn)化程度高、技術(shù)成熟度高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但是面對(duì)風(fēng)電、光伏等發(fā)電波動(dòng)性和隨機(jī)性較大的電源及深遠(yuǎn)海域環(huán)境惡劣、長(zhǎng)期無(wú)人值守的特點(diǎn)，PEM水電解制氫技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。PEM水電解制氫電流密度高(額定工況下2～3A/cm2)，靈活，利于快速變載;只需對(duì)空氣濾網(wǎng)和凈水器濾芯、干燥劑等進(jìn)行定期更換，全年維護(hù)時(shí)間小于8h，維護(hù)費(fèi)用少，電池堆10年無(wú)需大修。這些優(yōu)點(diǎn)使其更加適合與海上風(fēng)電耦合組成海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)。
二、海上氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)
氫氣具有重量輕、密度小、可液化、可與金屬及有機(jī)物發(fā)生化合反應(yīng)等特點(diǎn)，可以通過海底管道或?qū)Ｓ么暗冗\(yùn)輸載體，以高壓氣氫、液氫、有機(jī)液態(tài)氫(LOHC)、固態(tài)儲(chǔ)氫等多種形態(tài)儲(chǔ)運(yùn)。具體氫儲(chǔ)運(yùn)方式需要綜合運(yùn)輸距離、地理位置和終端應(yīng)用等因素來(lái)決策。主流的儲(chǔ)氫技術(shù)主要包括低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫以及金屬固態(tài)儲(chǔ)氫3種。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫因?yàn)槠湓O(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、充放氫速度快、技術(shù)相對(duì)成熟、壓縮氫氣能耗低等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段技術(shù)最為成熟也是相對(duì)經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)氫方式。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫可以采用不同結(jié)構(gòu)類型或材料的高壓氣瓶作為容器，其主要問題是儲(chǔ)存能力有限，且金屬氣瓶重量大，易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。因此，采用碳纖維、樹脂等非金屬材料實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫氣瓶的高壓力和輕量化是目前的研究熱點(diǎn)，其關(guān)鍵是要探明氣瓶材料的氫及服役環(huán)境介質(zhì)相容性。國(guó)內(nèi)外均已具備成熟的設(shè)計(jì)制造能力，但尚缺乏高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)在海上環(huán)境的應(yīng)用和示范。
固態(tài)儲(chǔ)氫具有安全高效、制儲(chǔ)一體、體積密度高、設(shè)備輕便等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用研究較多的是合金儲(chǔ)氫。綜合考慮儲(chǔ)氫材料成本、使用可靠性等方面因素，鈦鐵合金儲(chǔ)氫研究最為廣泛。但是仍處在起步階段，成熟度不高，曾用于潛艇等軍工領(lǐng)域，商業(yè)化應(yīng)用仍存在高工作溫度/壓力、脫氫不完全、催化劑價(jià)格高等難題。
低溫液態(tài)重量?jī)?chǔ)氫密度較高，儲(chǔ)氫量大，適用于規(guī)模化遠(yuǎn)距離儲(chǔ)運(yùn)場(chǎng)景。國(guó)外的氫液化技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)已很成熟，已商業(yè)化應(yīng)用。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家氫液化技術(shù)較為成熟，正通過對(duì)氫液化流程的創(chuàng)新，以及設(shè)備工藝及效率的提升等方法來(lái)降低能耗。國(guó)內(nèi)氫液化裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、制造水平及系統(tǒng)能耗與國(guó)外技術(shù)相比還存在很大差距，需要突破低溫工況材料的選用，氫、氦透平膨脹機(jī)研制和正仲氫轉(zhuǎn)化催化劑等技術(shù)難題。
3種氫能儲(chǔ)存技術(shù)對(duì)比如表2所示。相比于陸地環(huán)境，海洋環(huán)境具有空間有限，高溫、高濕、高鹽、高紫外線等易腐蝕特點(diǎn)，在易腐蝕環(huán)境和浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)工況下儲(chǔ)氫系統(tǒng)的安全性和可靠性與海洋環(huán)境適用性，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
表2 氫能儲(chǔ)存技術(shù)對(duì)比
海上氫能的輸送包括海底管道和專用船舶運(yùn)輸兩種方式。海底管道輸送氫氣可借鑒較為成熟的天然氣管道技術(shù)。但相比天然氣管道，氫氣管道的技術(shù)要求及建造成本更高。主要因?yàn)闅浯嗷驓涓g會(huì)對(duì)管道鋼材料產(chǎn)生不利影響，需要增加安全裕度，如利用已有的天然氣管道系統(tǒng)輸送氫氣，還需對(duì)天然氣摻氫比例進(jìn)行研究;對(duì)于船舶運(yùn)輸氫能，可將制備的氫氣以氣態(tài)或液體存儲(chǔ)到氫瓶組中，由運(yùn)輸船海運(yùn)到碼頭氫氣轉(zhuǎn)運(yùn)場(chǎng)地，供陸上使用和消納。
氫氣經(jīng)過低溫液化后，其密度為常溫、常壓下氣態(tài)氫的845倍，能量密度更高，因此氫氣以液體形式大規(guī)模運(yùn)輸具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。但由于液氫沸點(diǎn)很低，需要帶有絕熱系統(tǒng)的特殊容器，對(duì)液態(tài)氫的儲(chǔ)存罐組要求較高。遠(yuǎn)距離大規(guī)模海上輸氫能力成為海上制氫發(fā)展的重要制約因素。可借鑒現(xiàn)有LNG大型運(yùn)輸船薄膜型、B型艙及C型艙分類，開展適用于大型液氫運(yùn)輸船的艙型或罐型技術(shù)路線分析，研究大型液氫圍護(hù)系統(tǒng)艙型及結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)方案，綜合考慮結(jié)構(gòu)形式及絕熱系統(tǒng)之間的相互影響，研制專門的大型氫能運(yùn)輸船舶。
三、海上制儲(chǔ)氫裝備
海上制儲(chǔ)氫裝備是指承載海上制氫設(shè)備、儲(chǔ)氫設(shè)備以及海上風(fēng)機(jī)(如有時(shí))的海上結(jié)構(gòu)物，用于抵抗風(fēng)、浪、流等外部惡劣海洋環(huán)境條件和生產(chǎn)功能載荷，為人員和設(shè)備提供保護(hù)。海上制氫裝備可以分為固定式結(jié)構(gòu)和漂浮式結(jié)構(gòu)。固定式海上制氫裝備主要指利用樁或其他形式將結(jié)構(gòu)生根于海床，從而將載荷傳遞至海床，可分為單樁式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架式基礎(chǔ)、負(fù)壓筒式基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)以及高樁承臺(tái)等結(jié)構(gòu)型式;漂浮式海上制氫裝備主要指結(jié)構(gòu)漂浮于海面，利用系泊系統(tǒng)進(jìn)行位置固定并抵抗外部載荷，可分為半潛式基礎(chǔ)、駁船式基礎(chǔ)、立柱式基礎(chǔ)及張力腿式基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)型式。未來(lái)可能的主要海上制氫裝備結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。
圖1 海上制氫裝備結(jié)構(gòu)型式
海上制儲(chǔ)氫裝備集可再生能源、氫氣制取、氫能存儲(chǔ)等功能于一體，對(duì)設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。海上制氫裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮作業(yè)水深，所遭受的環(huán)境載荷，極端條件下的結(jié)構(gòu)抗力，如臺(tái)風(fēng)、地震、海冰等條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng);作業(yè)狀態(tài)下功能載荷的影響，還需計(jì)及與環(huán)境載荷的耦合效應(yīng)，如風(fēng)機(jī)載荷氣動(dòng)與波浪載荷水動(dòng)的耦合作用，漂浮式基礎(chǔ)還需考慮錨泊的恢復(fù)效應(yīng)等;氫氣作為可燃可爆氣體，需考慮設(shè)備的總體布置和防火防爆設(shè)計(jì)，液體氫應(yīng)注意低溫對(duì)材料、安全的不利影響，必要時(shí)進(jìn)行失效模式與后果風(fēng)險(xiǎn)分析等;綜合評(píng)估制儲(chǔ)氫裝備與制儲(chǔ)氫設(shè)備的相互影響，如漂浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)、制氫設(shè)備、動(dòng)態(tài)電纜等的影響，必要時(shí)應(yīng)提出對(duì)漂浮式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)限制。功能設(shè)備產(chǎn)生的載荷對(duì)制氫裝備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生一定影響，條件允許時(shí)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的一體化耦合分析設(shè)計(jì)。
總體上講，上述海上制儲(chǔ)氫裝備的結(jié)構(gòu)型式在傳統(tǒng)海洋油氣行業(yè)的應(yīng)用較為成熟，但在海上制氫領(lǐng)域才逐步開展應(yīng)用，需要考慮特殊的載荷效應(yīng)和不同的應(yīng)用場(chǎng)景。但成熟技術(shù)的移植可為海上制氫裝備設(shè)計(jì)提供很好的借鑒和思路。
選擇何種型式的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要取決于離岸距離、水深、海底條件、海況條件以及成本等多方面因素。海上制儲(chǔ)氫裝備主要結(jié)構(gòu)形式對(duì)比如表3所示。在40m以下水深海域，裝備采用固定式單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最為經(jīng)濟(jì)，國(guó)內(nèi)外約有80%以上的海上風(fēng)電機(jī)組采用此類結(jié)構(gòu);水深超過60m時(shí)，固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所受波浪載荷巨大，且最低固有頻率接近主波浪頻率，很難滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)濟(jì)性比較差，因此大水深海域宜采用漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。具不完全統(tǒng)計(jì)，隨著作業(yè)位置水深的不斷增加，建設(shè)成本占投資總成本的比例也大幅增加，因此，海上制氫裝備的合理選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)不可忽視。
表3 海上制儲(chǔ)氫裝備型式性能對(duì)比
四、海上制儲(chǔ)氫方案
海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)主要由海上風(fēng)電系統(tǒng)、水電解制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫運(yùn)輸系統(tǒng)組成。根據(jù)各系統(tǒng)所處的位置不同，大致可分為3種解決方案：一是海上風(fēng)電陸上制氫方案，如圖2所示;二是海上集中式水電解制氫方案，如圖3所示;三是海上分布式水電解制氫方案，如圖4所示。
圖2 陸上水電解制氫方案
圖3 海上集中式水電解制氫方案
圖4 海上分布式水電解制氫方案
海上風(fēng)電陸上制氫方案中，電力在海上經(jīng)升壓站、海底電纜等設(shè)施輸送至陸上制氫。其優(yōu)點(diǎn)是制氫系統(tǒng)安裝與維護(hù)方便，空間限制較小，環(huán)境相對(duì)溫和，制氫系統(tǒng)可以作為電網(wǎng)調(diào)峰的有效手段。但隨著離岸距離的增加，海底電纜及海上升壓站或換流站的成本不斷增加，加之電力傳輸過程中存在的損耗，經(jīng)濟(jì)性逐漸變差。
海上集中式水電解制氫方案中，電力通過海纜匯集到海上制儲(chǔ)氫裝備上，集中制氫并適當(dāng)存儲(chǔ)，再利用船舶或海底管道運(yùn)輸?shù)桨渡?。其?yōu)點(diǎn)是不受水深限制，不用建設(shè)海上升壓站;也可借助已有海上油氣平臺(tái)或油氣管道，將油氣平臺(tái)改造為制氫平臺(tái)，有效降低項(xiàng)目投資。該方案可實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海大規(guī)模風(fēng)電制氫，是未來(lái)海上制氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重要方向。
海上分布式水電解制氫方案中，在每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組平臺(tái)上集成安裝模塊化的制氫設(shè)備，直接制取氫氣，并通過輸氣管道傳輸至岸上。該方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要建設(shè)單獨(dú)的海上制氫裝備，節(jié)省了集中制氫平臺(tái)成本。但需要依賴豐富的海底輸氣管道完成輸氫，且風(fēng)機(jī)平臺(tái)空間狹小，制氫設(shè)備運(yùn)行受到上部風(fēng)機(jī)影響較為明顯。因此，制氫設(shè)備的模塊化集成技術(shù)以及風(fēng)電制氫一體化耦合分析技術(shù)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。
五、國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議
中國(guó)海上風(fēng)電制氫具有很大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電與制氫融合，是促進(jìn)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的重要模式。但目前海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)鏈想要健康快速發(fā)展，仍需要解決頂層規(guī)劃、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、經(jīng)濟(jì)性及產(chǎn)業(yè)配套等多方面問題。
①加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，做好統(tǒng)籌規(guī)劃，從國(guó)家層面制定相關(guān)法律法規(guī)，制定適用于我國(guó)的海上制氫產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展路線規(guī)劃總圖，進(jìn)一步明確海上綠氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。進(jìn)一步健全海上氫能產(chǎn)業(yè)的監(jiān)管法規(guī)，監(jiān)督海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
②優(yōu)化科技力量，加強(qiáng)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，聯(lián)合戰(zhàn)略性科技力量加快海上“制、儲(chǔ)、輸、用”全過程的核心技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)氫能高效利用、規(guī)模儲(chǔ)運(yùn)、綠色生產(chǎn)相關(guān)海洋裝備和系統(tǒng)設(shè)備的研制與示范應(yīng)用，加快核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新體系。
③建立健全海上制氫規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系。安全性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)與優(yōu)化是海上綠氫制儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的重要目標(biāo)，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系的建立與完善是海上綠氫制儲(chǔ)運(yùn)產(chǎn)業(yè)鏈健康、快速發(fā)展基礎(chǔ)性支撐。充分結(jié)合現(xiàn)有海洋油氣工程、陸上制氫存儲(chǔ)運(yùn)輸行業(yè)的規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定海上制氫規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系框架，形成完整的海上制氫全過程、全領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，指導(dǎo)行業(yè)安全高質(zhì)量發(fā)展。
④推進(jìn)國(guó)際氫能科技合作，促進(jìn)海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)國(guó)際化發(fā)展，充分利用和借鑒歐洲海上風(fēng)電制氫發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，鼓勵(lì)合作研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)，共同推進(jìn)全球海上制氫產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新發(fā)展。
六、結(jié)語(yǔ)
海上風(fēng)電與海上制氫的融合，不僅為海上風(fēng)電的開發(fā)利用帶來(lái)了新的發(fā)展?jié)摿?，也為水電解制氫提供了取之不盡的綠色能源，真正實(shí)現(xiàn)了零碳排放的終極目標(biāo)。從全球行業(yè)發(fā)展來(lái)看，海上風(fēng)電制氫技術(shù)尚處于研究探索和應(yīng)用示范階段，我國(guó)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比水平差距不大，只要我們加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，努力開展全行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，積極進(jìn)行示范應(yīng)用引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)彎道超車指日可見。文/高暢 李紅濤，來(lái)自中國(guó)船級(jí)社海洋工程技術(shù)中心。第一作者高暢，1985年出生，女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)與安全保障技術(shù)。文章來(lái)自《海洋工程裝備與技術(shù)》(2023年第2期)，參考文章略，版權(quán)歸出版單位與作者所有，用于學(xué)習(xí)與交流。
