海上风电制氢发展趋势及前景展望

doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.05.004

摘要/Abstract

摘要：

在构建以新能源为主体的新型电力系统背景下,海上风电制氢是能源技术领域的一次重大创新,对海上风电和氢能发展将是一种双赢的解决方案,分析研究其发展趋势可为未来能源安全提供新的发展方向。调查了国内外海上风电制氢发展现状,通过对比海上风电制氢、储氢、输氢、用氢的可行技术方案,确定“海上制氢站+运输船输送氢气”方案在现阶段具有推广应用价值。结合各国政府的发展规划,对海上风电制氢发展前景进行了展望。最后指出：风电制氢有望加速海上风电进一步降低成本,顺利进入平价上网时代;海上风电与氢能产业结合,将推动海上风电和绿氢产业发展,助力实现碳达峰、碳中和目标。

关键词: 新型能源系统, 海上风电, 制氢, 储氢, 绿氢, 能源安全, 碳中和, 可再生能源

Abstract:

In the cosntruction of renewable energy oriented power system,hydrogen production powered by offshore wind turbines is a major innovation of energy technology, which is expected to be a win-win solution for the development of offshore wind power and hydrogen energy. Based on its development trend analysis, it is a feasible road for future energy security. Having investigated the development status of hydrogen production from offshore wind power at home and abroad and compared the feasible technical schemes of hydrogen production, storage, transportation and utilization, a plan integrating hydrogen production from offshore wind power with hydrogen transportation by ships is proposed. The scheme is worthy of promotion and application at current stage. Its development trend and prospects are analysed by taking the development plans of various countries into consideration. The scheme is pointed out to be able to lower the power generation cost of offshore wind farms and advance the era of grid parity. The integration of offshore wind power generation and green hydrogen production can boost the realization of carbon peaking and carbon neutrality.

Key words: new energy system, offshore wind power, hydrogen production, hydrogen storage, green hydrogen, energy security, carbon neutrality, renewable energy

中图分类号:

TK91

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图/表 12

表1

国外海上风电制氢发展现状

国家	发展现状	项目介绍
英国	布局世界最大海上风电制氢	Ørsted的1.4 GW Hornsea2海上风电场将与Gigastack项目连接生产绿氢,为英格兰东北部的一家石油和天然气精炼厂提供动力。该风电场计划于2022年建成投产,将取代1.2 GW Hornsea1,成为世界上最大的海上风电场。该项目致力于通过水电解制氢的规模化应用降低其成本,从而提高该技术商业化应用的可能性^[7]。另一个绿氢项目Dolphyn也获得了英国政府提供的312万英镑的资助,该项目计划在英国北海4 GW的漂浮式风电场使用独立装置生产氢,根据计划,样机工程的最终投资决策将在2021年年底完成并于2023年投运,2026年前实现在10 MW机型上制氢
荷兰	全球首个海上风电制氢示范项目	基于Q13a平台的PosHYdon项目是世界上第1个海上风电制氢项目,由荷兰多家企业、机构共同承担,以促进减排事业,在北海建立新的能源模式。Nepture Energy公司的Q13a平台（如图1所示）是荷兰北海首座完全电气化的油气平台,在PosHYdon项目中将被改造为制氢平台。集装箱式的制氢设备体积很小,绝大多数海上平台都可以容纳。目前,平台电力暂时由陆地上的电网通过海缆连接供应（按波动的海上风电发电量来模拟）,未来将改由附近的海上风电场供应
丹麦	丹麦首个绿氢示范项目H2RES于2021年5月开工建设	丹麦可再生能源公司沃旭能源Ørsted首个绿氢示范项目——2 MW的H2RES于2021年5月动工,该项目位于哥本哈根（如图2所示）,将使用海上风电作为制氢电源。项目将探索如何对Ørsted位于Avedøre Holme的2台3.6 MW海上风电与电解槽进行结合,在波动性电源下实现电解槽的最佳运行。该项目预计在2021年下半年开始生产氢气,日产量可达1 000 kg左右,产生的绿氢将作为燃料用于大哥本哈根地区和西兰岛的公路运输
比利时	有望建成世界首个投运商业化海上风电制氢项目	2020年,比利时发布了Hyport Oostende海上风电制氢项目规划,根据其进度时间表,有望成为世界上首个投运的商业化海上风电制氢项目。该项目由海工巨擘DEME、投资机构PMV和比利时Ostend港共同开发,在Ostend港实施。项目分2阶段,第1阶段开发一个50 MW的示范项目,第2阶段开发一个规模更大的商业化项目并在2025年前完成
法国	由浮式风机供电的海上制氢项目	法国一家由浮式风机供电的海上制氢厂计划2022年投入运营,该制氢厂将安装在法国勒克罗西克海岸的SEM-REV示范风场并与Floatgen浮式风机相连（如图3所示）。Floatgen是一台2 MW的浮式风机,也是法国第1台海上浮式风机,于2018年安装在SEM-REV海上风场并于同年开始向法国电网供电
德国	国家战略支持海上风电制氢	根据一份德国经济与能源部正在起草的氢能发展战略,德国正在考虑在海上风电竞标中指定部分海上风电场专门用于生产绿氢。Engie旗下的2家公司Tractebel Engineering和Tractebel Overdick也将在德国建设一座400 MW的海上风电制氢站。2020年6月,德国发布了氢能源战略,计划在2030年前投入90 亿欧元,开发5 GW电解制氢项目并推动产业链发展
新加坡	海上风电多元化利用	日前,来自新加坡的能源企业Enterprize Energy和Engie旗下的工程公司Tractebel Overdick签订了一份谅解备忘录,将联合在北海开发建设一个一站式海上平台（如图4所示）,利用海上风电制氢和制氨。该平台名为Energy-Plus,规划容量为400 MW,底部为导管架基础,上部平台装设电解槽设备,用于生产绿氢并通过管道外送,同时生产少量绿色氨气,用气罐存储统一运输
韩国	国家大力推动	2020年11月24日,韩国举行“绿色氢气生产、储存、使用”签约仪式。试点项目利用济州能源公社保有的东北北村海上风力发电系统的弃电,每天生产600 kg氢气

表1

图1

图2

表2

国内海上风电制氢项目

时间	项目名称	涉及企业	项目介绍
2009年	风光电结合海水制氢技术前沿研究	国网上海市电力公司	针对风电、光电制氢提出了多种应用方案,并以东海风电场为例,开展了风、光电制氢的综合效益评价
2014年4月	风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范项目	中国节能环保集团	为国家863项目,在中节能风力发电（张北）有限公司建设风电场,制氢功率为100 kW,燃料电池发电功率为30 kW
2014年12月	河北建投沽源风电制氢综合利用示范项目	河北建投新能源有限公司	项目由河北建投新能源有限公司与德国迈克菲及欧洲安能公司联手打造,于2014年12月31日获得河北省发改委核准。项目总投资20.3 亿元,分为200 MW风力发电场、10 MW电解水制氢系统及氢气综合利用系统2个部分
2020年7月	青岛深远海2 GW海上风电融合示范风场项目	蓝谷管理局、中能融合公司、中国电建集团西北院	项目风电部分直接投资300亿元以上,可拉动风电场与海洋牧场一体化融合产业、风电制氢、风能海水淡化和装备制造等相关产业,合计投资500 亿元以上
2020年11月	广西北部湾海上风电产业大基地化开发	广西壮族自治区钦州市政府、中国华能集团公司、西门子能源有限公司	不同于传统海上风电项目的是,钦州、华能与西门子能源三方合作的大基地项目可能还涉及氢能
2020年11月	中海油海上制氢工艺技术研究	同济大学、中海油能源发展股份有限公司	项目旨在研究设计和优化海上风电制氢的工艺流程,提出技术和经济可行性的边界条件。该项目位于上海长宁区,主要进行：（1）海上电解水制氢工艺方案选型及技术研究;（2）海上风电与制氢设备匹配性研究;（3）海上储氢、输氢技术等研究
2021年8月	《海上风电制氢/氨产业链创新及产业化战略合作（框架）协议》	中国船舶大船集团、中国科学院大连化学物理研究所、国创氢能科技有限公司、中国船舶集团海装风电股份有限公司	合作各方将以国家“碳达峰、碳中和”为战略目标,大船集团利用本地化优势及在海上氢/氨的制取、储运、应用装备的优势和能力,大连化学物理研究所利用制取氢/氨关键技术开发能力和优势,中国船舶集团海装风电股份有限公司利用本企业在风电开发领域的能力和实力,国创氢能科技有限公司利用在氢燃料电池领域的生产、技术成果转化的能力和优势聚焦海洋绿色能源开发及利用,密切合作,共同促进制氢、制氨、燃料电池及液氢/氨储运技术在船舶与海洋工程领域的创新应用与发展,共同推进海上风电制氢/氨及其储运技术与装备的研发及产业化,推动地方及我国绿色海洋经济发展

表2

图3

图4

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表3

参考文献 19

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项目	方案1	方案2	方案3	方案4
技术可行性	可行	可行	可行	可行
技术成熟度	技术不成熟原因：嵌有氢气管道的脐带电力电缆国内外没有工程借鉴	技术成熟原因：氢气管道类似海底石油、天然气管道,技术成熟、可靠	技术成熟原因：氢气瓶组运输船运输类似海上石油、天然气运输,技术成熟、可靠	技术不成熟原因：海上加氢站国内外没有工程借鉴
安全风险	安全风险大原因：氢气属于易燃易爆危险气体,氢气与电力并行,若发生氢气泄漏,存在较大的爆炸风险	安全风险在可控范围内	安全风险在可控范围内	安全风险在可控范围内
投资成本	成本高原因：海底脐带电缆造价远远高于海底电力电缆	成本高原因：海底管道的投资成本不亚于海底电力电缆	成本可控	成本低原因：氢气就地消纳,没有远距离运输成本
氢气消纳	输送到陆上,消纳广泛	输送到陆上,消纳广泛	输送到陆上,消纳广泛	氢气消纳问题短期内无法解决原因：氢动力船舶仅在国外有少量报道,研发、制造时间长