李雪臨，袁凌

（國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司，北京市 海淀區(qū) 100039）

0 引言

氫能是極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗辉絹碓蕉嗟膰疑仙羾夷茉磻?zhàn)略高度[1]?！半p碳”目標(biāo)下，氫能作為清潔、高效、靈活的二次能源，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的重要路徑[2-3]。同時，氫能與可再生能源相輔相成，是長周期、高安全的可再生能源儲能載體，共同在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮重要作用[4-5]。

按照生產(chǎn)來源和制取過程中的碳排放強(qiáng)度，氫被分為灰氫、藍(lán)氫和綠氫。其中：灰氫指由天然氣、煤等化石燃料生產(chǎn)的氫氣，制取技術(shù)成熟，成本最低，但碳排放強(qiáng)度高，在全球氫源供應(yīng)中占比約96%[6]；藍(lán)氫指工業(yè)副產(chǎn)氫，或在灰氫生產(chǎn)環(huán)節(jié)中加入碳捕獲與封存技術(shù)，能夠減少90%左右的碳排放，是從灰氫向綠氫的過渡；綠氫主要指利用風(fēng)能、太陽能等可再生能源電解水制氫和核能制氫，目前技術(shù)成熟度較低，成本最高，但真正實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)源頭的無碳化，是未來可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[7-8]。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟數(shù)據(jù)，我國目前氫源供給中約有77.3%來自于灰氫，21.2%來自于工業(yè)副產(chǎn)氫，僅1.5%源于可再生能源電解水制氫[9]。但到2050 年，可再生能源電解水制氫的占比將達(dá)到70%[10]，綠氫市場前景廣闊。

海上風(fēng)電制氫是未來綠氫生產(chǎn)的主力軍之一[11]。全球范圍內(nèi)已經(jīng)公布的電解水制氫項(xiàng)目儲備總規(guī)模達(dá)到3 200 萬kW，約有一半來自于海上風(fēng)電制氫。其中，德國、荷蘭、丹麥等歐洲國家均已有百萬千瓦級以上的海上風(fēng)電制氫規(guī)劃。我國海上風(fēng)電發(fā)展勢頭迅猛，國家能源局發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，2021年我國風(fēng)電和光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量達(dá)到1.01億kW，其中風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到4 757 萬kW。海上風(fēng)電異軍突起，全年新增裝機(jī)容量為1 690 萬kW，是此前累計(jì)建成總規(guī)模的1.8倍，目前累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2 638萬kW，超過英國，躍居世界第一，接近全球海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的一半。預(yù)計(jì)至2030年年底，中國海上風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到97 GW，平準(zhǔn)化度電成本將比2021年水平下降46%。

海上風(fēng)電制氫是解決海上風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)消納難、深遠(yuǎn)海電力送出成本高等問題的有效手段，我國目前尚處于探索起步階段，缺乏產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)、示范項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和成熟的商業(yè)模式，急需借鑒國際海上風(fēng)電制氫發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，因地制宜探索科學(xué)合理的海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)方案，開展關(guān)鍵核心技術(shù)的國產(chǎn)化攻關(guān)，完善海上風(fēng)電制氫配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。為此，本文從并網(wǎng)型陸上電解水制氫和離網(wǎng)型海上電解水制氫系統(tǒng)方案的發(fā)展趨勢分析入手，闡述電解水制氫和氫儲運(yùn)技術(shù)的主要類別、對海上風(fēng)電的適用性，以及最新研究進(jìn)展和趨勢，介紹國外已開展的典型海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目和我國海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)布局情況，并提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議，以期為我國海上風(fēng)電制氫技術(shù)創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

1 海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)方案

海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)主要由海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、電解水制氫系統(tǒng)和氫儲運(yùn)系統(tǒng)組成。按照電解水制氫系統(tǒng)所處的位置不同，主要有2 種不同的解決方案：一種是陸上電解水制氫方案，如圖1 所示；另一種是海上電解水制氫方案。而根據(jù)海上電解水制氫系統(tǒng)形式的不同，后者又可進(jìn)一步分為集中式電解水制氫和分布式電解水制氫2 種系統(tǒng)方案[12]，分別如圖2、3所示。

圖1 陸上電解水制氫方案Fig.1 Hydrogen production scheme by onshore water electrolysis

圖2 海上集中式電解水制氫方案Fig.2 Centralized hydrogen production scheme by offshore water electrolysis

圖3 海上分布式電解水制氫方案Fig.3 Distributed hydrogen production scheme by offshore water electrolysis

對于陸上電解水制氫方案，海上風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電力經(jīng)海底電纜、升壓站等設(shè)施輸送至陸上電解水制氫系統(tǒng)，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[13]，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。但是在我國海上風(fēng)電開發(fā)不斷向遠(yuǎn)海深入的必然趨勢下，海底電纜成本及海上升壓站或換流站的建設(shè)運(yùn)維成本不斷增加，且在電力傳輸過程中存在一定的損耗。對于海上高壓交流(high voltage alternating current，HVAC)輸電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電場裝機(jī)容量500～1 000 MW、離岸距離50～100 km時，海纜損耗為1%～5%。對于海上高壓直流(high voltage direct current，HVDC)輸電系統(tǒng)，考慮到不同的風(fēng)電場容量和離岸距離，海纜損耗為2%～4%[14-15]。相比之下，海上輸氣管道的傳輸損耗低于0.1%，同時，與傳輸相同能量的等效海纜相比，海上管道的建設(shè)成本更低[16]。因此，海上電解水制氫方案受到廣泛關(guān)注，海上風(fēng)電制氫開始從輸電向輸氫方向轉(zhuǎn)變。

在海上集中式電解水制氫方案中，海上風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電力通過風(fēng)電場集電海纜匯集到海上電解水制氫平臺，在該平臺完成制氫后，經(jīng)由輸氣管道傳輸至岸上[17-18]。其優(yōu)點(diǎn)是可以借助已有的海上油氣平臺或油氣管道，將油氣平臺改造為制氫平臺，有效降低項(xiàng)目投資成本。而在海上分布式電解水制氫方案中，不需要建設(shè)海上電解水制氫平臺，取而代之的是在每臺風(fēng)電機(jī)組塔底平臺上安裝模塊化的制氫設(shè)備，直接在風(fēng)電機(jī)組側(cè)制氫，產(chǎn)生的氫氣通過小尺寸輸氣管道匯集到收集歧管，在這里壓縮或直接通過更大直徑管道傳輸至岸上。該方案最大程度地用輸氫管道替換了海上輸電設(shè)施，降低了能量送出成本，但風(fēng)電機(jī)組側(cè)模塊化電解水制氫技術(shù)還有待進(jìn)一步優(yōu)化。

2 國內(nèi)外海上風(fēng)電制氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 海上風(fēng)電電解水制氫技術(shù)

目前電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解水制氫、固態(tài)氧化物電解水制氫和固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫4種技術(shù)路線[19]。其中：固態(tài)氧化物電解水制氫效率最高[20]，但工作溫度高(700～900 ℃)，壽命較低，電解槽啟停不便，目前仍處于初期示范階段，不適合應(yīng)用于海上風(fēng)電制氫；固體聚合物陰離子交換膜電解水制氫工作溫度較低(40～60 ℃)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟停，現(xiàn)尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)起步階段，短期內(nèi)無法應(yīng)用于海上風(fēng)電制氫[21]。目前，可用于海上風(fēng)電應(yīng)用場景的電解水制氫技術(shù)主要是堿性電解水制氫和PEM電解水制氫技術(shù)。

堿性電解水制氫是已充分產(chǎn)業(yè)化的成熟技術(shù)，工作溫度適中(70～90 ℃)，但啟停響應(yīng)時間較長，電流密度較低，存在滲堿污染環(huán)境問題，且需要對堿性流體進(jìn)行復(fù)雜的維護(hù)[22]。此外，生產(chǎn)氫氣的輸出壓力較低，儲運(yùn)時需要額外加壓，一定程度上削弱了初期投資成本較低的優(yōu)勢。綜合來看，堿性電解水制氫技術(shù)更適用于陸上電解水制氫方案。

PEM電解水制氫是未來極具發(fā)展前景的綠氫制取技術(shù)[23]，現(xiàn)已進(jìn)入初步商業(yè)化階段，與堿性電解水制氫相比，工作溫度更低(50～80 ℃)，啟動時間更快，電流密度增加到5 倍，運(yùn)行更靈活，利于快速變載，與波動性和間歇性較強(qiáng)的海上風(fēng)電具有良好的匹配性。而且電解槽結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積更小，氫氣輸出壓力更高，無腐蝕性介質(zhì)污染，更加安全可靠，因此特別適合應(yīng)用于海上集中式或分布式電解水制氫。PEM電解水制氫的主要瓶頸在于成本和壽命，因其電極、涂層及催化劑多采用貴重金屬，目前價格還是比堿性電解水制氫高，并且壽命偏低。但隨著對PEM電解槽的貴金屬催化劑、陽極擴(kuò)散層、雙極板等高成本部件的深入研究和推廣應(yīng)用，其成本有望快速下降。劉一蒲等[24]針對PEM電解水技術(shù)商用析氧催化劑二氧化銥中稀有金屬銥儲量低、成本高的問題，開展了高活性兼具高穩(wěn)定性的新型低銥催化劑研究，重點(diǎn)研究了異原子摻雜IrO2(IrOx)基催化劑、鈣鈦礦型銥基催化劑及燒綠石型銥基催化劑3 類常見低銥催化劑，及其在材料結(jié)構(gòu)特征與催化本征性能方面的關(guān)聯(lián)性。范芷萱等[25]針對PEM電解槽常用的鍍鉑多孔鈦板陽極擴(kuò)散層與雙極板成本高昂的問題，利用涂敷-焙燒還原法在鈦纖維氈表面制備銥釕混合氧化物涂層，將其應(yīng)用于PEM電解陽極擴(kuò)散層，并分析了涂層最佳組成比例、鈦纖維氈厚度及膜電極組件制備方法對電解池性能的影響，驗(yàn)證了貴金屬氧化物涂層在降低PEM 電解槽成本方面的可行性和有效性。Tajuddin 等[26]開發(fā)了一種替代鉑基催化劑的低成本、耐腐蝕、高穩(wěn)定性的非貴金屬催化劑，采用石墨烯包覆的NiMo 合金作為PEM 電解槽的非貴金屬催化劑電極，通過調(diào)節(jié)氮摻雜石墨烯的層數(shù)為4～8 層，在酸性環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了陰極催化活性和化學(xué)穩(wěn)定性之間的平衡，為PEM電解槽中貴金屬催化劑的低成本替代提供了一條新途徑。

國內(nèi)外研究者對PEM電解水制氫的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性也進(jìn)行了對比分析和預(yù)測。郭秀盈等[27]對比了堿性與PEM電解水制氫的平準(zhǔn)化成本，研究了規(guī)模效應(yīng)、氫氣壓力、壓縮與液化及可再生能源波動性對2 種制氫方式的影響。結(jié)果表明：隨著低功率(＜20%額定功率)波動性的增加，PEM的平準(zhǔn)化成本可以低于堿性電解水制氫。Lucas等[28]針對位于葡萄牙的全球首個漂浮式海上風(fēng)電場WindFloat Atlantic，采用PEM 電解槽制氫進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，考慮了2 種不同場景：場景1，當(dāng)前25.2 MW 裝機(jī)容量，無輸氫基礎(chǔ)設(shè)施；場景2，未來150 MW裝機(jī)容量，有輸氫基礎(chǔ)設(shè)施。結(jié)果表明：場景2 是能夠盈利的解決方案，電解槽容量與風(fēng)電場容量之比對經(jīng)濟(jì)性有重要影響，該比例約30%時具有最低的制氫成本。D’Amore-Domenech 等[29]基于5 種多準(zhǔn)則決策方法，采用由社會、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等因素構(gòu)成的指標(biāo)體系，對海上直接電解水制氫、堿性電解水制氫、PEM電解水制氫和固態(tài)氧化物電解水制氫4 種技術(shù)路線進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性評估，結(jié)果表明：PEM電解水制氫技術(shù)綜合評分最高；堿性電解水制氫經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)最佳，但因強(qiáng)腐蝕性電解液潛在的泄漏風(fēng)險，其在社會和環(huán)境方面評分較低。

2.2 海上風(fēng)電制氫儲運(yùn)技術(shù)

儲氫技術(shù)主要分為物理儲氫、化學(xué)儲氫和多孔材料吸附儲氫3 類[30]。目前，應(yīng)用于海上風(fēng)電制氫的儲氫技術(shù)主要是物理儲氫。物理儲氫主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和低溫高壓儲氫3種方式[31]。

高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)成熟度高，存儲壓力一般是20～100 MPa，但儲氫密度較低。高壓氣態(tài)儲氫具體又分為2 種，一種是成熟商業(yè)化的壓力容器存儲，其技術(shù)挑戰(zhàn)在于壓力容器的安全性設(shè)計(jì)、材料選擇和制造工藝。為了滿足商業(yè)化儲氫密度要求，通常需要采用全復(fù)合材料壓力容器，該容器內(nèi)部采用塑料或金屬襯里，外部采用聚合物基碳纖維復(fù)合材料纏繞制成，工作壓力可以達(dá)到70 MPa[32]。此外，采用該儲氫方式時還應(yīng)關(guān)注可能引起的氫脆和氫腐蝕問題[33-34]。另一種是采用地下天然結(jié)構(gòu)(如含水層或鹽穴)儲氫[35-36]，可解決海上儲氫空間成本高的問題，被認(rèn)為是儲存大量氣態(tài)氫最具成本效益的方式。其中，含水層儲氫的密封性不如鹽穴，因氫氣分子小，導(dǎo)致泄漏率明顯增加。鹽穴是比較理想的地下儲氫結(jié)構(gòu)，具有施工成本低、泄漏率低、提取和注入速度快，以及細(xì)菌活動少(某些細(xì)菌會分解氫，造成氫純度降低)等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是受到地質(zhì)條件限制，無法大范圍推廣。目前，在美國、歐盟多個國家已經(jīng)開展了鹽穴儲氫的研究和實(shí)際應(yīng)用。

低溫液態(tài)儲氫類似于液化天然氣的制備和存儲，-253 ℃的低溫使氫液化，密度高達(dá)70 kg/m3[37]，但能耗和成本較高。目前，歐美和日本的液氫儲運(yùn)技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，已開展了利用海上風(fēng)電在海上制備液氫運(yùn)回陸上或?yàn)榇把a(bǔ)充燃料的可行性研究[38]。而國內(nèi)受核心技術(shù)與裝備依賴進(jìn)口以及高成本的限制，液氫還是主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

低溫高壓儲氫技術(shù)則同時采用了降溫和壓縮2 種處理方式，相比于高壓氣態(tài)儲氫，提高了儲氫密度，相比于低溫液態(tài)儲氫，降低了能耗[39]，但目前該技術(shù)尚處于研發(fā)階段。

另外，利用海上油氣平臺及管道基礎(chǔ)設(shè)施，將氫氣與天然氣混合輸送至陸上，在用氫端對富氫天然氣進(jìn)行分離和提純，是實(shí)現(xiàn)快速、低成本儲運(yùn)氫的重要方向。據(jù)研究，在現(xiàn)有天然氣管道中摻混10%左右的氫氣，其對管道的影響可以忽略，如荷蘭的PosHYdon 項(xiàng)目。從富氫天然氣中分離出氫氣的方法主要有變壓吸附法、膜分離方法和電化學(xué)分離法3 種[40]。其中，變壓吸附法和膜分離方法都能實(shí)現(xiàn)99.99%純度的氫氣提取，變壓吸附技術(shù)成熟，但設(shè)施占地面積大；膜分離技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好，設(shè)施占地面積小，但高運(yùn)行溫度(≥300 ℃)限制了它的應(yīng)用[41]。綜合2 種方法優(yōu)勢的集成膜吸附技術(shù)是用氫端分離氫氣的技術(shù)發(fā)展方向之一[42]。

2.3 國外海上風(fēng)電制氫典型項(xiàng)目

國外海上風(fēng)電制氫的典型項(xiàng)目主要集中在歐洲[43-46]，北海海域有大量的已建或待建海上風(fēng)電項(xiàng)目作為支撐，最先進(jìn)的綠氫全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)在這里持續(xù)孵化。

荷蘭的NortH2項(xiàng)目是截至目前全球規(guī)模最大的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目計(jì)劃到2030年在北海建成3～4 GW 的海上風(fēng)電場，完全用于綠氫生產(chǎn)，并在荷蘭北部港口埃姆斯哈文或其近海區(qū)域建設(shè)一座大型電解水制氫站；計(jì)劃到2040年實(shí)現(xiàn)10 GW海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模和年產(chǎn)100萬t綠氫的目標(biāo)。

類似地，德國的AquaVentus項(xiàng)目旨在2035年就達(dá)成10 GW海上風(fēng)電裝機(jī)和年產(chǎn)100萬t綠氫的目標(biāo)。該項(xiàng)目包括了關(guān)于海上綠氫“制儲輸用”全產(chǎn)業(yè)鏈上的多個子項(xiàng)目，其中第1 個子項(xiàng)目AquaPrimus計(jì)劃于2025年在德國赫爾戈蘭海岸附近安裝2 個14 MW 的海上風(fēng)電機(jī)組，每臺風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)平臺上都安裝獨(dú)立的電解水制氫裝置；AquaSector子項(xiàng)目建設(shè)德國首個大型海上氫園區(qū)，計(jì)劃到2028年安裝300 MW的電解槽，年產(chǎn)2萬t海上綠氫，并通過AquaDuctus子項(xiàng)目鋪設(shè)的海底管道將綠氫輸送到赫爾戈蘭。

荷蘭PosHYdon 項(xiàng)目是全球首個海上風(fēng)電制氫示范項(xiàng)目，為了實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電、天然氣和氫能綜合能源系統(tǒng)的一體化運(yùn)行，選擇海王星能源公司(Neptune Energy)完全電氣化的Q13a-A 平臺作為試點(diǎn)，計(jì)劃安裝1 MW 電解槽，驗(yàn)證海上風(fēng)電制氫的可行性，并將氫氣與天然氣混合，通過現(xiàn)有的天然氣管道饋入國家天然氣管網(wǎng)。

歐洲OYSTER 項(xiàng)目在歐盟委員會推出的“燃料電池和氫能聯(lián)合計(jì)劃”資助下，開展了將海上風(fēng)電機(jī)組與分布式電解槽直接連接，以及將綠氫運(yùn)輸?shù)桨兜目尚行匝芯?。該電解槽系統(tǒng)采用緊湊型設(shè)計(jì)，集成海水淡化和處理工藝并安裝在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)平臺上。該項(xiàng)目計(jì)劃于2024 年底投產(chǎn)。

丹麥風(fēng)電巨頭沃旭能源宣布了SeaH2Land 項(xiàng)目，計(jì)劃到2030 年建造總?cè)萘? GW 的電解槽，并與荷蘭北海計(jì)劃中2 GW海上風(fēng)電場直接連接，生產(chǎn)的綠氫將通過位于荷蘭和比利時之間的跨境管道進(jìn)行分配。SeaH2Land一期工程包括500 MW的電解槽容量，第2階段將擴(kuò)展到1 GW，屆時需要連接到國家氫主干網(wǎng)。

德國Westküste 100項(xiàng)目于2020年從德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部獲得了3 000萬歐元的資金支持，其目標(biāo)是通過海上風(fēng)電制氫使工業(yè)、航空、建筑和供暖在未來更加可持續(xù)。該項(xiàng)目第1 階段計(jì)劃建造30 MW 電解槽，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)包括700 MW電解槽系統(tǒng)在內(nèi)的大規(guī)模行業(yè)耦合。

西門子能源牽頭一個為期4 年的Power-to-X研究項(xiàng)目，名為“H2Mare”，旨在研究海上風(fēng)電就地轉(zhuǎn)化低碳能源的全產(chǎn)業(yè)鏈，具體包含4 個子項(xiàng)目，其中，OffgridWind子項(xiàng)目研究海上風(fēng)電機(jī)組，H2Wind子項(xiàng)目開發(fā)一種適合近海環(huán)境并能夠適配海上風(fēng)電機(jī)組的PEM電解水制氫系統(tǒng)。該項(xiàng)目獲得了德國聯(lián)邦教育及研究部1 億歐元的資金支持。

瑞典大瀑布集團(tuán)Vattenfall 正在加緊開展名為Hydrogen Turbine 1 (HT1)的海上風(fēng)電就地制氫示范項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃在歐洲海上風(fēng)電部署中心B06 號風(fēng)電機(jī)組的過渡段擴(kuò)展平臺上放置長度約12 m的集裝箱，集裝箱內(nèi)安裝一套氫電解槽、海水淡化設(shè)備以及壓縮機(jī)，產(chǎn)生的氫氣再通過海底管線輸送到岸上。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)最早在2024年投入運(yùn)營，運(yùn)營時間為8～10 a。

挪威Deep Purple項(xiàng)目是全球首個漂浮式海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目，旨在利用漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)生產(chǎn)綠氫并儲存在海底儲罐中，從而使用氫燃料電池替代大型燃?xì)廨啓C(jī)，為石油天然氣平臺提供穩(wěn)定的可再生電力供應(yīng)，并為其他行業(yè)提供氫氣，計(jì)劃到2024年基本實(shí)現(xiàn)挪威油氣生產(chǎn)的零排放。

英國Dolphyn 項(xiàng)目是目前規(guī)模最大的漂浮式海上風(fēng)電分布式制氫項(xiàng)目，計(jì)劃在北海開發(fā)4 GW漂浮式海上風(fēng)電場，擬采用10 MW機(jī)型，每個漂浮式平臺都安裝單獨(dú)的電解槽，產(chǎn)生的氫氣通過管道外送，不需要海底電纜或海上制氫站。風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部配備足夠的備用電源，以保證檢修、停機(jī)后重啟的需求。該項(xiàng)目計(jì)劃于2026年前實(shí)現(xiàn)在10 MW機(jī)型上制氫。

2.4 國內(nèi)海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)布局

我國海上風(fēng)電制氫從2020 年起步[47-48]，但在“雙碳”目標(biāo)和相關(guān)政策指引下，各級政府以及企業(yè)加快相關(guān)布局，海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目也正蓄勢待發(fā)。

地方規(guī)劃方面，廣東省印發(fā)《促進(jìn)海上風(fēng)電有序開發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的實(shí)施方案》，提出推動海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)與海洋牧場、海水制氫等相結(jié)合；福建省漳州市印發(fā)《漳州市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，提出將加快開發(fā)漳州外海淺灘千萬千瓦級海上風(fēng)電，布局海上風(fēng)電制氫等氫能產(chǎn)業(yè)基地，發(fā)展氫燃料水陸智能運(yùn)輸裝備，構(gòu)建形成“制氫—加氫—儲氫”的產(chǎn)業(yè)鏈；《浙江省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，集約化打造海上風(fēng)電+海洋能+儲能+制氫+海洋牧場+陸上產(chǎn)業(yè)基地的示范項(xiàng)目；《山東省能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》提出，積極推進(jìn)可再生能源制氫和低谷電力制氫試點(diǎn)示范，培育風(fēng)光+氫儲能一體化應(yīng)用模式。

企業(yè)布局方面，國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司與山東省港口集團(tuán)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，聯(lián)合探索“海上風(fēng)電+海洋牧場+海水制氫”融合發(fā)展模式；如東縣人民政府、國家能源集團(tuán)國華能源投資有限公司、國家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院、江蘇中天科技股份有限公司簽訂氫能產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目四方戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同打造綠氫產(chǎn)業(yè)鏈；華能集團(tuán)與漳州市政府簽署協(xié)議，將著力引進(jìn)海上風(fēng)電、氫能應(yīng)用等相關(guān)裝備制造龍頭企業(yè)；中國海洋石油總公司與林德合作并成立氫能運(yùn)輸聯(lián)盟，與同濟(jì)大學(xué)共同開展海上風(fēng)電制氫工藝流程及技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究；中國船舶集團(tuán)風(fēng)電發(fā)展有限公司與大船集團(tuán)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、國創(chuàng)氫能科技有限公司四方簽約，共同推進(jìn)海上風(fēng)電制氫/氨及其儲運(yùn)技術(shù)與裝備的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；青島深遠(yuǎn)海200萬kW海上風(fēng)電融合示范風(fēng)電場項(xiàng)目將推動海上風(fēng)電+制氫儲氫融合試驗(yàn)與示范應(yīng)用；大連市太平灣與三峽集團(tuán)、金風(fēng)科技聯(lián)合宣布將共同建設(shè)新能源產(chǎn)業(yè)園，重點(diǎn)發(fā)展海上風(fēng)電、氫能為主的新能源產(chǎn)業(yè)，計(jì)劃通過風(fēng)電制氫、儲氫、運(yùn)氫以及氫能海洋牧場利用等培育氫能產(chǎn)業(yè)鏈條。

3 中國海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

中國海上風(fēng)電制氫市場潛力巨大，是促進(jìn)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、構(gòu)建現(xiàn)代化能源系統(tǒng)的重要模式，地方政府和企業(yè)積極性較高，但目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)展仍需要解決政策規(guī)劃、技術(shù)突破、產(chǎn)業(yè)配套、經(jīng)濟(jì)可行等多方面問題。為了推動中國海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，提出以下建議：

1）加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)，廣泛參考和借鑒國際上已發(fā)布的氫能發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃或路線圖，制定我國的國家氫能戰(zhàn)略及發(fā)展路線圖，進(jìn)一步健全完善氫能產(chǎn)業(yè)政策和監(jiān)管法規(guī)，明確海上風(fēng)電制氫的發(fā)展目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)路徑，引導(dǎo)海上風(fēng)電制氫行業(yè)有序發(fā)展，避免重復(fù)建設(shè)和盲目競爭。

2）加強(qiáng)海上風(fēng)電制氫“制儲輸用”關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，加快海上低成本、模塊化PEM電解水制氫技術(shù)，以及高可靠、低成本儲運(yùn)技術(shù)研究、示范、規(guī)?；瘧?yīng)用，推動產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，以龍頭企業(yè)統(tǒng)籌跨行業(yè)資源聯(lián)合攻關(guān)，強(qiáng)化專業(yè)人才隊(duì)伍培育，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新體系。

3）建立健全海上風(fēng)電制氫標(biāo)準(zhǔn)和檢測體系，加強(qiáng)海上風(fēng)電制氫全產(chǎn)業(yè)鏈管理部門的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，建立完整、先進(jìn)的海上風(fēng)電制氫全鏈條標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，完善海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)安全體系。充分利用現(xiàn)有海上油氣基礎(chǔ)設(shè)施，穩(wěn)妥有序推進(jìn)海上風(fēng)電制氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，切實(shí)提高氫能制備和儲運(yùn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

海上風(fēng)電與氫能融合發(fā)展是規(guī)模化生產(chǎn)綠氫的主力軍之一，也是深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的破局關(guān)鍵。隨著我國海上風(fēng)電向遠(yuǎn)海集中連片規(guī)模化開發(fā)，離網(wǎng)型的集中式或分布式制氫方案是未來發(fā)展的主要方向。

電解水制氫技術(shù)和氫儲運(yùn)技術(shù)是海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)。其中，PEM電解水制氫技術(shù)因響應(yīng)速度快、占地面積小、與可再生能源匹配性好等優(yōu)勢，而成為海上風(fēng)電制氫技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。氫儲運(yùn)技術(shù)方面，物理儲氫是應(yīng)用于海上風(fēng)電場景的主要方式。其中，高壓氣態(tài)儲氫是目前最成熟的儲氫技術(shù)，壓力容器的安全性設(shè)計(jì)、材料選擇和制造工藝是該項(xiàng)技術(shù)的研究重點(diǎn)，而地下天然結(jié)構(gòu)高壓氣態(tài)儲氫則被認(rèn)為是大規(guī)模儲氫的最佳方式。另外，利用現(xiàn)有海上油氣基礎(chǔ)設(shè)施，混合輸送氫氣與天然氣是快速、低成本儲運(yùn)氫的重要方式。我國海上風(fēng)電制氫處于起步階段，亟需在高效、低成本PEM制氫技術(shù)，物理儲氫國產(chǎn)化自主研發(fā)，以及對富氫天然氣的高純度、低成本分離技術(shù)等方面大力開展創(chuàng)新性研究。

從2019年起，以歐洲為主的多個國家已經(jīng)制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃或路線圖，并在此基礎(chǔ)上啟動了多個海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目，聚焦固定式及漂浮式海上風(fēng)電與氫能耦合場景下的氫氣制取、儲運(yùn)、使用技術(shù)的提升以及示范項(xiàng)目的穩(wěn)步推進(jìn)。我國海上風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模位列全球首位，且將保持快速發(fā)展態(tài)勢，國家、地方及企業(yè)也在加快對氫能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的布局，海上風(fēng)電制氫發(fā)展前景廣闊。因此，建議加強(qiáng)氫能產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)，加大海上風(fēng)電制氫全鏈條核心技術(shù)自主攻關(guān)力度，建立健全海上風(fēng)電制氫標(biāo)準(zhǔn)體系，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，保障海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)安全高質(zhì)量發(fā)展。