顏暢，黃晟，屈尹鵬

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

2020 年9 月22 日，我國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，并爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。2021年10月24日，國(guó)務(wù)院發(fā)布《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰、碳中和工作的意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》）、《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（以下簡(jiǎn)稱《方案》）。《意見(jiàn)》和《方案》明確指出，完成好能源行業(yè)在碳達(dá)峰、碳中和工作中的歷史使命和優(yōu)化現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，需加快構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系。針對(duì)當(dāng)下能源安全、氣候變化等相關(guān)問(wèn)題，要堅(jiān)定地加快推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型，從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生能源。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外可再生能源裝機(jī)規(guī)模飛速增長(zhǎng)［1］。據(jù)《全球風(fēng)報(bào)》和國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)［2-3］，2021年，全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到837.00 GW，中國(guó)風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量突破300.00 GW。全球陸上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量新增72.50 GW，比2020 年新增容量下降了18%。與之相比，全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量21.10 GW，是2020 年的3 倍多，海上風(fēng)電總?cè)萘窟_(dá)到57.00 GW。2021 年我國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量16.90 GW，占全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)總量的80%且超過(guò)2020年的國(guó)內(nèi)累計(jì)裝機(jī)容量，2021年國(guó)內(nèi)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)26.39 GW，躍居世界第一［4］。

我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)也發(fā)展迅速。到2020 年年底，我國(guó)氫燃料電池汽車保有量超過(guò)7 000 輛、建成加氫站超過(guò)100 座，成為全球最大的氫燃料電池商用車生產(chǎn)國(guó)。各地產(chǎn)業(yè)布局加速，截至目前已有20多個(gè)?。ㄊ校?、40 多個(gè)地市發(fā)布?xì)淠芤?guī)劃和指導(dǎo)意見(jiàn)；已建成（或規(guī)劃）30 余個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)［5］。與此同時(shí)，歐盟委員會(huì)也作出承諾，即到2050 年實(shí)現(xiàn)碳中和。在《歐洲氣候中性氫能戰(zhàn)略》中，提到氫能源能夠應(yīng)用于工業(yè)、建筑和交通運(yùn)輸?shù)痊F(xiàn)代社會(huì)的主要部門［6］。

氫能具有高能量密度、可儲(chǔ)存運(yùn)輸、高轉(zhuǎn)化效率、適用范圍廣和環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是大規(guī)模轉(zhuǎn)化剩余可再生能源電力的方式之一［7］。海上風(fēng)電制氫既可以利用氫能儲(chǔ)存電能以平抑海上風(fēng)電輸出的波動(dòng)性，解決深遠(yuǎn)海電力輸送成本高的問(wèn)題，還可以利用海上風(fēng)電較低的度電成本提高電解制氫的收益。

針對(duì)海上風(fēng)電與電解水制氫之間關(guān)鍵技術(shù)，英國(guó)、德國(guó)、丹麥等歐洲國(guó)家以及美國(guó)、日本已進(jìn)行了大量長(zhǎng)期的研究，并實(shí)施了一系列海上風(fēng)電耦合制氫示范工程。相比之下，我國(guó)海上風(fēng)電制氫技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)電制氫技術(shù)進(jìn)行歸納，總結(jié)海上風(fēng)力發(fā)電與制氫儲(chǔ)氫研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

1 海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)能是當(dāng)今開(kāi)發(fā)程度較高的可再生能源之一，與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目具有更高的風(fēng)能利用率、更高的容量因數(shù)和更高的社會(huì)接受度［8］。海上風(fēng)電的容量因數(shù)一般可達(dá)40.0%～50.0%，蘇格蘭Hywind Scotland漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)的容量系數(shù)甚至可達(dá)56.0%，遠(yuǎn)高于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的26.0%和陸上風(fēng)電的31.5%。在廣東、福建等省，海上風(fēng)電的有效利用小時(shí)數(shù)最高可達(dá)4 500。江蘇省陸上風(fēng)電的平均有效利用小時(shí)數(shù)預(yù)計(jì)在2 000 以上，而海上風(fēng)電的平均有效利用小時(shí)數(shù)可達(dá)到3 000以上。

1.1 海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是保障風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵部分。海上風(fēng)電機(jī)組的載荷包括以大偏心彎矩為主的運(yùn)行荷載和由天氣（特別是海浪、臺(tái)風(fēng)等極端天氣）引起的波流荷載等。海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可通過(guò)將載荷傳遞至海床或利用基礎(chǔ)與系泊系統(tǒng)之間的耦合作用抵抗載荷。在海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，隨著風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)地點(diǎn)海水深度的增加，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)成本占風(fēng)電場(chǎng)總成本的比例可由16%增至30%。因此，選擇合適可靠的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)于風(fēng)電制氫系統(tǒng)的建設(shè)有重要的意義［9］。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要可分為固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要分為重力式基礎(chǔ)、單樁式基礎(chǔ)、三腳架式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架式基礎(chǔ)、多樁式基礎(chǔ)和負(fù)壓筒式基礎(chǔ)等。漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要分為張力腿式基礎(chǔ)、立柱式基礎(chǔ)、半潛式基礎(chǔ)和駁船式基礎(chǔ)等。常見(jiàn)的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見(jiàn)表1［10-18］。

表1 常見(jiàn)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Table 1 Common structural features of offshore wind turbines

在35 m 以下水深海域，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要采用固定式，其中單樁式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，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)。35～50 m 水深是公認(rèn)的采用固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分水嶺，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的選擇具體可通過(guò)對(duì)比投資成本以及技術(shù)施工難度進(jìn)行抉擇。水深超過(guò)50 m 時(shí)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最低固有頻率很接近波浪主波頻率，底部固定基礎(chǔ)很難滿足設(shè)計(jì)要求，固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性降低。對(duì)于大水深和軟海床，因?yàn)椴捎闷∈交A(chǔ)結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機(jī)組，其總成本僅隨著系泊線長(zhǎng)度或制氫系統(tǒng)容量等增加而略有增加，相較于固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常更具有成本效益。

我國(guó)沿海省份山東、江蘇、浙江、福建、廣東均是我國(guó)用電負(fù)荷大省。相較于陸上風(fēng)力資源，海上風(fēng)力資源靠近我國(guó)負(fù)荷中心，避免了風(fēng)電的遠(yuǎn)距離傳輸，便于電網(wǎng)就地消納。我國(guó)海域主要包括渤海、黃海、東海、南海，其平均水深分別為18，44，370，1 212 m 左右。我國(guó)擁有大面積的淺海平原和深海平原［19］，沿海各省份漂浮式風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?。海上風(fēng)電場(chǎng)未來(lái)將由近海向深遠(yuǎn)海發(fā)展，由固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)向漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)展。

1.2 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)

根據(jù)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁方式，同步風(fēng)機(jī)可分為永磁同步風(fēng)機(jī)和電勵(lì)磁同步風(fēng)機(jī)［20］。根據(jù)風(fēng)輪機(jī)與發(fā)電機(jī)的連接方式，風(fēng)機(jī)可分為直驅(qū)風(fēng)機(jī)和非直驅(qū)風(fēng)機(jī)，其中非直驅(qū)風(fēng)機(jī)包括雙饋風(fēng)機(jī)和半直驅(qū)風(fēng)機(jī)。

目前海上風(fēng)電機(jī)組向著“大容量、輕量化、高可靠”趨勢(shì)發(fā)展。對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，建設(shè)成本將占投資的70%。風(fēng)力發(fā)電機(jī)越大，發(fā)電機(jī)的連接和維護(hù)成本將顯著減少，因而出于成本的考慮，海上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量越來(lái)越大。已公布的國(guó)外最大單機(jī)容量風(fēng)電機(jī)組為MHI Vestas 的V236-15.0 MW，國(guó)內(nèi)最大單機(jī)容量風(fēng)電機(jī)組為明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司的MySE 16.0-242，全球風(fēng)電供應(yīng)商主要海上風(fēng)機(jī)型號(hào)見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外供應(yīng)商主要海上風(fēng)機(jī)型號(hào)Table 2 Main models of offshore wind turbines from domestic and foreign suppiers

目前，海上風(fēng)機(jī)的主流為永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)。隨著功率等級(jí)的升高，傳統(tǒng)永磁風(fēng)機(jī)的體積重量將成倍上升，這意味著超大功率等級(jí)的傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)其運(yùn)輸成本與吊裝成本極高。增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率密度以減小其體積和重量也是目前的研究熱點(diǎn)。Sethuraman 等人［21］利用機(jī)器學(xué)習(xí)和多材料增材制造實(shí)現(xiàn)磁拓?fù)鋬?yōu)化，提出了一種15 MW 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)新設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)減重15.1 t。在此基礎(chǔ)上，Sethuraman 等人［22］又提出了一種直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)形狀優(yōu)化方法，改變貝塞爾曲線上的控制點(diǎn)來(lái)研究不同磁鐵形狀對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響并通過(guò)優(yōu)化控制點(diǎn)使扭矩密度最大化。通過(guò)增材制造，利用該方法產(chǎn)生的平滑風(fēng)機(jī)形狀最多可以為15 MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)減重20.0 t。

超導(dǎo)材料高于傳統(tǒng)銅線100 倍的超強(qiáng)載流能力，超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率密度極高，其體積與重量可降到傳統(tǒng)電機(jī)的一半以下，可以從根本上解決目前海上風(fēng)機(jī)面臨的擴(kuò)容難題。憑借在美軍項(xiàng)目中船舶推進(jìn)電機(jī)上的技術(shù)積累和自身超導(dǎo)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)實(shí)力，美國(guó)超導(dǎo)公司的Seatitan風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組技術(shù)理論上可設(shè)計(jì)直徑約為5 m，質(zhì)量約160 t 的10 MW 高溫超導(dǎo)直驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)，而同輸出功率的永磁直驅(qū)電機(jī)直徑要達(dá)到10 m，質(zhì)量也要超過(guò)200 t。

Zhu G 等人［23］將遺傳算法與有限元分析相結(jié)合，對(duì)基于田口法敏感性分析確定的影響變量進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種高溫超導(dǎo)調(diào)制永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。Kim 等人［24-25］設(shè)計(jì)了大型高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能評(píng)估系統(tǒng)，可以在制造發(fā)電機(jī)之前對(duì)高溫超導(dǎo)線圈和電樞在高扭矩和電磁力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行物理測(cè)試，將有助于研究和制造大型高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

Zhu X 等人［26］研究了一種10 MW 概念高溫超導(dǎo)勵(lì)磁雙定子直驅(qū)式固定密封風(fēng)力發(fā)電機(jī)，通過(guò)風(fēng)機(jī)內(nèi)2個(gè)空間獨(dú)立的定子分別放置高溫超導(dǎo)磁場(chǎng)繞組和銅電樞繞組，實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的靜止密封，去掉了電刷和滑環(huán)等附加勵(lì)磁裝置，具有可靠性高、運(yùn)維成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用有限元法分析了高溫超導(dǎo)勵(lì)磁雙定子直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在空載、額定負(fù)載和三相短路故障條件下的電磁特性，證明了高溫超導(dǎo)勵(lì)磁雙定子直驅(qū)式固定密封風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有良好的正弦電壓、低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等優(yōu)良的電磁性能。

2 氫能制取和儲(chǔ)存技術(shù)

氫能作為能源載體，將在全球能源轉(zhuǎn)型中與電能互為補(bǔ)充。目前，綠氫成本高于傳統(tǒng)灰氫。但隨著電解槽和可再生能源成本降低的綜合影響，綠氫的成本將迅速下降，在未來(lái)10 年內(nèi)，綠氫的生產(chǎn)成本預(yù)計(jì)可降至2～3 美元/kg。在可再生能源度電成本低的區(qū)域，能夠更早地實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)，與藍(lán)氫相比將具備極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力［27-29］。在碳捕獲與封存技術(shù)能夠大規(guī)模有效使用之前，利用可再生能源電解制氫是未來(lái)最有前途的技術(shù)之一［30］。

2.1 電解水制氫技術(shù)

目前，主要有2 種電解水制氫技術(shù)用于商業(yè)生產(chǎn)：堿性電解制氫和質(zhì)子交換膜電解制氫。另一項(xiàng)正在進(jìn)行深入研究和開(kāi)發(fā)的技術(shù)是固體氧化物電解制氫，該技術(shù)具有高效和靈活的優(yōu)點(diǎn)，但需要在高溫（700～900 ℃）環(huán)境下工作［31-32］。

堿性電解制氫是當(dāng)前最成熟、市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，但與其他技術(shù)相比，它存在許多缺點(diǎn)，例如氣體純度較低、操作壓力較低和能耗較高［33］。由于工作壓力較低，下游應(yīng)用需要額外的氫氣壓縮。研究人員目前正在從不同方面努力提高其性能。例如，Poimenidis 等人［34］發(fā)現(xiàn)，激光納米結(jié)構(gòu)鎳電極作為陰極可以提高制氫效率。為了分析海洋條件對(duì)電解槽性能的影響，Amores 等人［35］研究了海上應(yīng)用的堿性水電解。Burgos等人［36］分析了溫度對(duì)堿性水電解系統(tǒng)的影響。

質(zhì)子交換膜電解制氫具有啟動(dòng)快速、高電流密度、高輸出壓力以及超過(guò)額定功率運(yùn)行等特點(diǎn)［30-31，37］，其電解槽占地面積更小以及在各種條件下可靈活操作的特性，使其很適合與海上風(fēng)電耦合組成海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)［38］。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，質(zhì)子交換膜電解制氫技術(shù)將通過(guò)降低電極鉑等金屬的含量或開(kāi)發(fā)出成本更低的材料，以及對(duì)質(zhì)子交換膜材料和催化劑的深入研究，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的成本效益和廣泛應(yīng)用［39–41］。

固體氧化物電解制氫是3 種技術(shù)中最新的一種。由于工作溫度高，使其目前適用于許多工業(yè)過(guò)程中的廢熱回收［32］，而不適合有間歇性和波動(dòng)性的海上風(fēng)電。與其他2 種技術(shù)相比，固體氧化物電解槽的制作無(wú)需任何貴金屬且具有更好的效率，該技術(shù)的成熟有可能使海上制氫系統(tǒng)獲得更低的工藝成本［31］。

2.2 氫能儲(chǔ)存技術(shù)

與其他類型的能源相比，氫能的最大優(yōu)勢(shì)在于它可以儲(chǔ)存和運(yùn)輸。光伏、風(fēng)電或水電產(chǎn)生的超發(fā)電力可以轉(zhuǎn)化為氫能進(jìn)行儲(chǔ)存，提升可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的消納能力。因此，氫能的儲(chǔ)存是現(xiàn)在研究熱點(diǎn)之一。

氫能儲(chǔ)存有3種形式：壓縮氣體物理儲(chǔ)存、低溫液氫物理儲(chǔ)存和固態(tài)儲(chǔ)存。目前壓縮氣體和液氫儲(chǔ)存是主流的氫能儲(chǔ)存形式。由于儲(chǔ)氫材料的高工作溫度/壓力、可逆性和慢動(dòng)力學(xué)等因素的阻礙，固態(tài)儲(chǔ)存技術(shù)仍處于研究開(kāi)發(fā)階段。3 類儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣情況見(jiàn)表3。

表3 3類儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)劣情況Table 3 Advantages and disadvantages of three hydrogen storage technologies

氫氣可以在高達(dá)70 MPa的合適結(jié)構(gòu)中加壓，并以氣體的形式儲(chǔ)存在裝配式儲(chǔ)罐、天然地下結(jié)構(gòu)和管道中［42］。壓縮氣體儲(chǔ)存裝配式儲(chǔ)罐可分為高壓儲(chǔ)氫氣瓶、高壓復(fù)合儲(chǔ)氫罐、玻璃儲(chǔ)氫容器等，由鋼、鋁和碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合等材料制成［43-44］。壓縮氣體儲(chǔ)存技術(shù)難度低、成本低、能耗低，是目前發(fā)展最成熟的儲(chǔ)氫技術(shù)，匹配當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀等特征優(yōu)勢(shì)得以廣泛應(yīng)用。

儲(chǔ)存大量氫氣最具成本效益和實(shí)用的方法是使用地下天然結(jié)構(gòu)。由于氫氣的分子量很小，含水層的密封性不足以實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存。鹽穴因施工成本低、泄漏率低、提取注入速度快以及細(xì)菌環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，使其成為了最好的氫氣地下儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，在英國(guó)提賽德和美國(guó)得克薩斯州，已經(jīng)使用這種方法儲(chǔ)存了純氫氣［45-47］。

管道儲(chǔ)存應(yīng)用于儲(chǔ)存天然氣，主要用于管理對(duì)天然氣管網(wǎng)有限儲(chǔ)存設(shè)施的需求。管道儲(chǔ)存設(shè)施的建設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，參考現(xiàn)有天然氣管道儲(chǔ)存的壓力和管徑，每公里管道可儲(chǔ)存約12 t 氫氣［47］。由于管道建設(shè)技術(shù)已經(jīng)很成熟，因此氫氣儲(chǔ)存管道的建設(shè)似乎沒(méi)有技術(shù)障礙［48-49］。然而，與天然氣管道相比，氫氣管道的建造成本更高，這主要是因?yàn)闅浯喱F(xiàn)象會(huì)隨著時(shí)間的推移對(duì)鋼材料的機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響，需要增加安全裕度［50］。

相較于壓縮氫氣，氫氣經(jīng)過(guò)低溫液化后，其密度更大，每單位體積儲(chǔ)存能量更多［51］。由于液氫沸點(diǎn)很低，需要帶有絕緣系統(tǒng)的特殊容器來(lái)降低液氫與環(huán)境的能量交換［43，52］。因其沸點(diǎn)低，存在持續(xù)沸騰的風(fēng)險(xiǎn)，所以該方式適合需要短時(shí)間儲(chǔ)存氫能的情況［53-55］。

固態(tài)儲(chǔ)氫方法是氫原子或分子與其他物質(zhì)結(jié)合的系統(tǒng)。固態(tài)存儲(chǔ)有納米結(jié)構(gòu)材料和氫化物2種方式［47］，其中氫化物包括復(fù)合氫化物、鎂基合金和金屬間化合物。復(fù)合氫化物儲(chǔ)氫能力高，脫氫壓力低，但其安全運(yùn)輸存在問(wèn)題，可使用催化劑來(lái)消除熱力學(xué)不平衡［56］。金屬氫化物也有很高的儲(chǔ)存容量，但由于價(jià)格昂貴，其用途有限。鎂基合金成本低，儲(chǔ)存容量大。通常，使用不同的催化劑來(lái)改善這些方法的性能。因?yàn)闅淠軆?chǔ)存能量高和時(shí)間長(zhǎng)，固態(tài)儲(chǔ)氫系統(tǒng)一般用于工業(yè)領(lǐng)域。未來(lái)，隨著安全、緊湊和具有成本效益的儲(chǔ)氫介質(zhì)的研究深入和產(chǎn)業(yè)化，固態(tài)儲(chǔ)存將成為儲(chǔ)氫主要方式。

3 海上風(fēng)電制氫技術(shù)

現(xiàn)有的海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)按照運(yùn)行模式主要分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩類，而每類又可分為共交流母線結(jié)構(gòu)、共直流母線結(jié)構(gòu)，如圖1所示［57］。并網(wǎng)型系統(tǒng)主要采用3 種模式運(yùn)行：一是利用棄風(fēng)電力制氫，將電能儲(chǔ)存為氫能，起到為電網(wǎng)“削峰”的作用；二是系統(tǒng)內(nèi)增加燃料電池，利用氫能發(fā)電，起到為電網(wǎng)“填谷”的作用；三是利用電網(wǎng)供電解決風(fēng)電間歇性供電問(wèn)題的風(fēng)電制氫系統(tǒng)，保證綠氫生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。離網(wǎng)型系統(tǒng)主要采用2 種模式運(yùn)行：一是風(fēng)電制得的氫氣通過(guò)輸氣管道或運(yùn)氫船輸出；二是由風(fēng)電、變流器、電解水制氫裝置、儲(chǔ)氫裝置和燃料電池等設(shè)備搭建微網(wǎng)系統(tǒng)［58］。

圖1 典型的風(fēng)電制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［57］Fig.1 Structures of typical wind-to-hydrogen systems［57］

3.1 海上風(fēng)電制氫研究現(xiàn)狀

海上風(fēng)電制氫相較于化石能源制氫涉及技術(shù)更難，投資成本更高，文獻(xiàn)［59-63］對(duì)海上風(fēng)電制氫的可行性進(jìn)行了分析。Leahy P 等人［59］開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于評(píng)估海上風(fēng)電場(chǎng)制氫可行性的綜合分析模型，根據(jù)時(shí)變風(fēng)速計(jì)算風(fēng)力發(fā)電量、電解廠規(guī)模和制氫量，將成本預(yù)測(cè)到特定時(shí)間，并使用凈現(xiàn)值和貼現(xiàn)回收率對(duì)每個(gè)時(shí)期的凈現(xiàn)金流進(jìn)行貼現(xiàn)，以考慮資本隨時(shí)間的價(jià)值。通過(guò)對(duì)一個(gè)愛(ài)爾蘭東海岸采用質(zhì)子交換膜電解槽和地下儲(chǔ)存氫氣的虛擬101.3 MW 風(fēng)電場(chǎng)研究分析證明了模型的可靠性［59］。Meier的一項(xiàng)研究表明［60］，采用最先進(jìn)的技術(shù)在挪威可實(shí)現(xiàn)大型海上風(fēng)電制氫平臺(tái)。盡管質(zhì)子交換膜和固體氧化物2 種電解制氫方式的生產(chǎn)成本較高，但隨著化石燃料價(jià)格的上漲以及海上風(fēng)電場(chǎng)和電解槽的安裝和運(yùn)營(yíng)成本的降低，海上風(fēng)電制氫平臺(tái)會(huì)有較好發(fā)展。

Babrit 等人［61］提出了一個(gè)由自主航行的產(chǎn)氫風(fēng)能轉(zhuǎn)換器組成的船隊(duì)利用氫能方案，該方案基于風(fēng)能轉(zhuǎn)換器上的電力成本短期達(dá)0.08 歐元/（kW·h）、長(zhǎng)期可達(dá)0.04 歐元/（kW·h）的低成本假設(shè)，研究認(rèn)為液態(tài)氫生產(chǎn)可能是最有前途的方向，而且與壓縮氫氣相比在交付方面具有靈活性，但液氫在能量?jī)?chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中，會(huì)發(fā)生顯著的能量損失。Chen 等人［62］評(píng)估海上風(fēng)電和電解制氫在中國(guó)脫碳方面的效益，根據(jù)現(xiàn)有增長(zhǎng)率和未來(lái)能源替代趨勢(shì)，提供了2050年沿海地區(qū)的總負(fù)荷和氫氣能源需求，建立了以電力平準(zhǔn)化能源成本和氫氣平準(zhǔn)化能源成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，到2050 年，中國(guó)沿海省份對(duì)氫氣的需求將達(dá)到8.7 229 億t，碳排放量將減少2.4 541 億t，海上風(fēng)電制氫對(duì)中國(guó)的低碳系統(tǒng)有著重大貢獻(xiàn)。利用風(fēng)電等可再生能源輔助碳捕集［63］，提供了源于自然的碳中和解決方案［64］，可結(jié)合我國(guó)碳排放現(xiàn)狀［65］進(jìn)行研究和布局。Bonacina 等人［66］對(duì)用于船舶加油的海上液化綠色制氫裝置進(jìn)行了可行性研究，發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)與海上就地制氫相結(jié)合，可將風(fēng)電制氫系統(tǒng)置于風(fēng)能密度最優(yōu)的位置。

文獻(xiàn)［64-65］從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，研究了海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)構(gòu)建形式。Jang D 等人［67］為確定連接海上風(fēng)力發(fā)電廠和制氫設(shè)施的最經(jīng)濟(jì)方法，采用凈現(xiàn)值計(jì)算、敏感性分析和蒙特卡羅模擬，對(duì)分布式制氫、集中制氫和陸上制氫3種布局的海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，得出分布式制氫、集中式制氫和陸上制氫的計(jì)算成本分別為13.81，13.85，14.58美元/kg。由于減少了昂貴的高壓直流電纜和海上變電站，分布式方案最具競(jìng)爭(zhēng)力。田甜等人［68］以某300 MW 海上風(fēng)場(chǎng)為算例，建立總投資成本等年值、設(shè)備投資成本和年運(yùn)行維護(hù)成本經(jīng)濟(jì)性模型，分析了海上風(fēng)電岸上制氫系統(tǒng)、海上平臺(tái)制氫及船舶運(yùn)氫系統(tǒng)和海上平臺(tái)制氫及管道輸氫系統(tǒng)3種離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。研究表明，在離岸距離增大的情況下，海上平臺(tái)制氫及船舶運(yùn)氫方案等年值費(fèi)用基本不變，最具經(jīng)濟(jì)性，其他2種方案隨離岸距離增大，等年值費(fèi)用均不同幅度增加；海上風(fēng)電岸上制氫方案中經(jīng)直流輸電系統(tǒng)等年值費(fèi)用較海上平臺(tái)制氫及管道輸氫方案高。但隨離岸距離加大，這2種系統(tǒng)等年值費(fèi)用差距縮小。

Calado G 等人［69］總結(jié)和分析了電解槽置于海上和陸上的兩種并網(wǎng)型海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)的優(yōu)劣情況與適用場(chǎng)景。使用海上電解槽，氫氣被生產(chǎn)、壓縮并通過(guò)管道輸送到岸邊。其主要優(yōu)點(diǎn)是與海底電纜和配套電力電子設(shè)備相比，海底管道的成本更低；與傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)相比，管道中，氫氣的能量傳輸損耗更低。使用陸上電解槽，其優(yōu)點(diǎn)是為運(yùn)營(yíng)商提供了更高的靈活性，根據(jù)最經(jīng)濟(jì)可行的選擇，運(yùn)營(yíng)商可以選擇出售電力或生產(chǎn)氫氣。而海上風(fēng)電制取的氫氣可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，形成合成天然氣或以甲醇為代表的液體燃料，可成為化石能源的替代品［70］。

Crivellari等人［71］歸納了離網(wǎng)型海上風(fēng)能轉(zhuǎn)換的6 種不同的電力轉(zhuǎn)化氣體燃料和電力轉(zhuǎn)化為液體燃料策略的簡(jiǎn)化方案：將氫氣摻入天然氣或利用二氧化碳與氫氣反應(yīng)產(chǎn)生合成天然氣，并利用現(xiàn)有天然氣管道輸出；新建管道輸出氫氣；利用二氧化碳與氫氣反應(yīng)產(chǎn)生合成甲醇并通過(guò)運(yùn)輸船輸出，如圖2 所示。同時(shí)，建立了一套技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和盈利能力績(jī)效指標(biāo)，以分析上述6 種方案。研究表明，利用現(xiàn)有天然氣管道或建立新輸送管道的方案有最優(yōu)的績(jī)效。除向電網(wǎng)供電外，向工業(yè)和移動(dòng)行業(yè)銷售純氫和甲醇也產(chǎn)生了積極的凈現(xiàn)值。

圖2 海上風(fēng)能電產(chǎn)氣和電產(chǎn)液路線簡(jiǎn)化框［67］Fig.2 Simplified block of the P2G and P2L routes for an offshore wind farm［67］

Melo 等人［72］對(duì)并網(wǎng)型海上風(fēng)電場(chǎng)與制氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)的協(xié)同控制進(jìn)行了研究，提出了一種儲(chǔ)氫系統(tǒng)與海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的協(xié)同控制策略，利用制氫系統(tǒng)將過(guò)剩風(fēng)能轉(zhuǎn)化為氫氣，再通過(guò)燃料電池在風(fēng)能不足情況下向電網(wǎng)輸送電能。研究得到了氫管理系統(tǒng)中用于測(cè)量氫含量的詳細(xì)模型，并提出了一種基于充電狀態(tài)概念的控制規(guī)則，用于協(xié)調(diào)電解槽、燃料電池和超級(jí)電容器單元的運(yùn)行。

Serna 等人［73］針對(duì)平衡海上平臺(tái)電解裝置功耗的問(wèn)題，提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的能量管理系統(tǒng)。使用基于混合整數(shù)二次規(guī)劃算法的模型預(yù)測(cè)控制算法，通過(guò)對(duì)可用功率和功耗的預(yù)測(cè)，調(diào)節(jié)每個(gè)電解單元的工作點(diǎn)及其連接或斷開(kāi)來(lái)平衡平臺(tái)上由風(fēng)和波浪產(chǎn)生的電能，確保了氫氣生產(chǎn)的連續(xù)性。

Koiwa 等人［74］提出了一種新的并網(wǎng)型海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)能控制與制氫系統(tǒng)的虛擬排放控制，能夠在不增加制氫系統(tǒng)額定功率的情況下平抑風(fēng)場(chǎng)波動(dòng)且制氫系統(tǒng)可產(chǎn)生更多氫氣，保持較高的容量因數(shù)。

Ibrahim 等人［75］對(duì)集中陸上電解、分散海上電解和集中海上電解3種大型海上漂浮式風(fēng)制氫形式進(jìn)行了相關(guān)研究。通過(guò)電解槽技術(shù)、漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺(tái)和能量傳輸形式3 個(gè)主要變量對(duì)上述3 種類型進(jìn)行評(píng)估。集中陸上電解適用于離岸距離較近的風(fēng)場(chǎng)。分散海上電解和集中海上電解利用管道輸送氫氣便于風(fēng)場(chǎng)的擴(kuò)展，由于管道沒(méi)有電纜2 GW的傳輸限制，使后2 類制氫形式更適用于離岸距離較遠(yuǎn)的風(fēng)場(chǎng)。

3.2 海上風(fēng)電制氫國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外公布的電解水制氫項(xiàng)目?jī)?chǔ)備總規(guī)?，F(xiàn)已達(dá)到32 GW，其中近一半是海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目。荷蘭、德國(guó)等歐洲國(guó)家已經(jīng)發(fā)布了GW 級(jí)以上的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目規(guī)劃。

歐洲已公布多種不同類型的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目，主要有幾個(gè)方向。

（1）改造現(xiàn)有的海上天然氣平臺(tái)，電解制氫裝置設(shè)置在平臺(tái)上并利用海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的綠色電力電解制氫，最后通過(guò)現(xiàn)有天然氣管道將氫氣輸送上岸。例如世界上第1 個(gè)海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目荷蘭PosHYdon，將海上風(fēng)電、海上氫氣制造和海上天然氣集成至Q13a平臺(tái)，測(cè)試在海上風(fēng)電功率輸出波動(dòng)情況下的制氫效率以及獲得海上風(fēng)電的安裝和維護(hù)成本信息，驗(yàn)證海上風(fēng)電制氫的可行性。

（2）將海上風(fēng)電傳送上岸集中電解。例如英國(guó)的Gigastack 項(xiàng)目，將全球最大海上風(fēng)電場(chǎng)霍恩西二號(hào)的可再生電能輸送至由ITM Power 利用新一代堆棧建造的100 MW 電解槽系統(tǒng)中制氫，通過(guò)技術(shù)更新和實(shí)現(xiàn)規(guī)?；岣咧茪涫找?。目前，Gigastack 項(xiàng)目氫氣的平準(zhǔn)化成本可低至5.11～5.44 英鎊/kg，至2030年，成本有望下降約47%，降至2.80英鎊/kg。

（3）海上風(fēng)電與其他可再生能源結(jié)合實(shí)現(xiàn)氫氣持續(xù)性的生產(chǎn)。例如由法國(guó)道達(dá)爾發(fā)起的O/G Decarb 創(chuàng)新工程項(xiàng)目，旨在探索綜合利用浮式海上風(fēng)電、波浪能、氫能等多種能源形式，為海洋油氣平臺(tái)供電的模式。使用海上風(fēng)電和波浪能2種能源以彌補(bǔ)了單一能源的不穩(wěn)定性，平臺(tái)上設(shè)置了電解槽，將海上風(fēng)電和波浪能超發(fā)的電力用于電解水制氫；氫氣以15%的比例混入平臺(tái)生產(chǎn)的天然氣，使用同一套管網(wǎng)運(yùn)輸，節(jié)省了新建管網(wǎng)的費(fèi)用。

相較而言，我國(guó)海上風(fēng)電制氫技術(shù)研發(fā)起步較晚，示范工程建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)不足。2020 年3 月22日，國(guó)家發(fā)展改革委國(guó)家能源局發(fā)布關(guān)于《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》的通知。文件指出，開(kāi)展風(fēng)電、光伏發(fā)電制氫示范。鼓勵(lì)建設(shè)海上風(fēng)電基地，推進(jìn)海上風(fēng)電向深水遠(yuǎn)岸區(qū)域布局。政府以及企業(yè)正加快布局海上風(fēng)電制氫相關(guān)產(chǎn)業(yè)。青島深遠(yuǎn)海200 萬(wàn)千瓦海上風(fēng)電融合示范風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目，作為首個(gè)國(guó)家級(jí)深遠(yuǎn)海融合示范風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，一期開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模約1 GW，重點(diǎn)對(duì)海上風(fēng)電+海洋牧場(chǎng)融合、漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、遠(yuǎn)距離海上送電、余電制氫和海水淡化等進(jìn)行試驗(yàn)示范，開(kāi)展新型風(fēng)電首臺(tái)套裝備試驗(yàn)研究。2020年11月，同濟(jì)大學(xué)中標(biāo)中海油海上制氫工藝技術(shù)研究項(xiàng)目，主要進(jìn)行海上電解水制氫工藝方案選型及技術(shù)研究、海上風(fēng)電與制氫設(shè)備匹配性研究和海上儲(chǔ)氫、輸氫技術(shù)等研究。

4 結(jié)論與展望

開(kāi)發(fā)利用高效、清潔、多元化可再生能源是全球能源轉(zhuǎn)型的方向。隨著漂浮式風(fēng)電平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，海上風(fēng)電場(chǎng)將由近海向遠(yuǎn)海發(fā)展，具有高風(fēng)速和穩(wěn)定性能的海上風(fēng)能，已成為極具吸引力的發(fā)電資源。海上風(fēng)電機(jī)組逐年增長(zhǎng)的單機(jī)容量減少了維護(hù)成本，而其成倍上升的體積和重量極大地增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)輸和吊裝成本。3 種電解制氫技術(shù)都存在著不同的限制：最成熟的堿性電解制氫技術(shù)，受限于工作壓力低、制氫效率不高的問(wèn)題；質(zhì)子交換膜電解制氫盡管其具備啟動(dòng)快速、高電流密度、空間占用小的特點(diǎn)很契合海上制氫需求，但因其電解裝置生產(chǎn)工藝要求較高且含鉑等貴金屬導(dǎo)致成本較高，目前無(wú)法大規(guī)模使用；固體氧化物電解制氫處于深入研究和開(kāi)發(fā)階段，并且其700～900 ℃的高溫工作環(huán)境限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)今，氫能儲(chǔ)存形式主要是壓縮氫氣和液氫儲(chǔ)存，隨著儲(chǔ)氫介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)材料和氫化物的深入研究，固態(tài)儲(chǔ)氫有望成為氫能儲(chǔ)存的主導(dǎo)方式。

風(fēng)電制氫技術(shù)按照運(yùn)行模式可以有效平滑風(fēng)電出力、提升供電質(zhì)量和供電能力，并可降低電解制氫的生產(chǎn)成本，提升綠氫的成本競(jìng)爭(zhēng)力。由于氫氣可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為合成天然氣或甲醇等能量密度更高、更安全的能量載體，進(jìn)一步提高了風(fēng)電的消納能力。海上風(fēng)電就地制氫并船舶運(yùn)氫的模式，可以節(jié)省隨著風(fēng)電場(chǎng)離岸距離增加而增長(zhǎng)的電力輸送成本。

國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電制氫技術(shù)均仍處于探索起步階段，為確定符合當(dāng)?shù)刈匀粭l件且可實(shí)施的海上制氫商業(yè)模式，根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政策，結(jié)合各國(guó)風(fēng)電制氫示范工程以及重大項(xiàng)目，對(duì)海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)在不同技術(shù)路進(jìn)行可行性分析和全壽命周期設(shè)計(jì)技術(shù)研究是必要的。

海上風(fēng)電輸出功率具有隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，而水電解制氫設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高，頻繁的電力波動(dòng)會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行壽命，增加設(shè)備維護(hù)成本；影響產(chǎn)品氫氣的純度，氫氣中氧氣含量會(huì)提高，帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)制氫穩(wěn)定性和連續(xù)性問(wèn)題，海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)運(yùn)維策略制定和優(yōu)化也將是今后的發(fā)展方向。

雖然固定風(fēng)電機(jī)組在海上風(fēng)電領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位，但公認(rèn)的海上風(fēng)電發(fā)展方向是漂浮式風(fēng)電機(jī)組。借助漂浮式平臺(tái)，風(fēng)電場(chǎng)可建設(shè)至深遠(yuǎn)海，制氫儲(chǔ)氫裝置則可設(shè)置在附近平臺(tái)上，組成離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)。因此，基于漂浮式平臺(tái)的離網(wǎng)型風(fēng)電制氫系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)控制方法以及運(yùn)維策略將會(huì)是新的研究難點(diǎn)。

綜合發(fā)展海上風(fēng)電制氫技術(shù)，可以有效提高海上風(fēng)能的利用率并為海上風(fēng)場(chǎng)向深遠(yuǎn)海擴(kuò)展提供了新方向，綠氫也可以助力沿海地區(qū)能源密集型產(chǎn)業(yè)脫碳，推動(dòng)沿海各國(guó)減少碳排放。