基于海上风电的海上制氢平台方案研究

2023-03-11刘佳

科学技术创新 2023年4期

刘佳

(上海勘测设计研究院有限公司，上海)

引言

能源绿色低碳发展和经济社会发展的全面绿色转型是实现“双碳目标”的关键[1]。氢能作为一种来源广泛、高能量密度的清洁能源，可以耦合电网、热网和气网的能源，是形成高效、安全、稳定的多能互补能源系统的理想能源品类，是未来实现碳中和的突破性解决方案[2]。

氢能作为一种重要的储能介质，能量密度高，无污染，可实现大规模、跨季节、跨时段、跨地域的储能，将成为促进可再生能源消纳的有效方式。在能源转型的背景下，可再生能源与氢能的融合正在成为趋势[3]。

全球海上风电资源丰富，海上风电的迅速发展，推动了其与氢能的跨界合作。对于海上风电而言，融合氢能可以提高新能源的消纳能力，是海上风电与其他行业的整合，也是除解决风电大规模并网之外的另一项重要探索[4]。

本研究基于耦合海上风电和氢能的发展理念，提出海上风电制绿氢方案。以海上制氢平台为重点设计研究内容，探索海上风电联合海上制氢平台的融合发展模式。

1 海上制氢模式

如图1 所示，海上制氢模式是将海上风机发的电力，通过集电线路传送至海上制氢平台，在制氢平台将水电解后利用管道或储氢瓶形式将氢气输送至陆地[5]。

图1 海上制氢模式示意

结合现有技术发展及设备生产制造能力，海上制氢模式的实施存在以下难点：

（1）海上环境条件相对恶劣，存在盐雾等不利因素，缺乏制氢设备在海上的运行与维护经验。

（2）海上氢气储运困难，缺乏海底氢气管道及海上平台氢气充装运输经验。

（3）海上施工作业困难。

（4）需增加海水淡化设备。

伴随海上风电逐步走向深海，大规模电力送出也面临着技术和经济的双重考验，由此通过海上制氢平台集中制氢作为一种风电消纳的解决方案，值得探索。本研究通过配套设计海上制氢平台实现“风机发绿电，电解制绿氢”，对海上制氢平台做出深入研究，在现有技术条件下，探索海上风电集中海上制氢的可行性。

2 制氢技术选择

目前具备工程应用条件的水电解技术有碱性和质子交换膜两种。

碱性电解是研发最早、最成熟的电解制氢技术，目前已有成熟的产业化基础[6]。电堆成本较低，售价一般1 500～3 000 元/kW；系统制氢效率：60%～75%，现有成熟设备产氢规模可达1 300 Nm3/h；碱性电解技术存在制氢效率低、能耗大、存在渗碱环境污染等问题。同时，占地大、响应慢，与新能源匹配性较差。

质子交换膜水电解技术又称PEM纯水电解。PEM电解水制氢设备在全球多个地区已经开始商业化应用，但电堆成本较高，一般售价在10 000～12 000 元/kW，系统制氢的效率：70%～85%。现有成熟的PEM电堆规模已达到5 MW，即产氢率1 000 Nm3/h。PEM制氢技术优点则是生命周期长、稳定性好、槽腐蚀性小、电解效率高、系统简化、装置结构紧凑、产氢纯度高、氢气出口压力大、响应速度快[7]。

对比投资成本较低的碱水制氢技术[8]，PEM制氢因其自身的技术优势，能够更好适应海上风电的波动性，高度契合海上风电的融合发展。同时考虑节约用地和绿色环保等因素，海上制氢平台推荐采用PEM制氢工艺路线。

3 制氢系统方案

选取典型的200 MW 海上风电场规模，根据近几年中国风力发电的平均消纳情况，选取3%的弃电率，并结合制氢产量规模和设备运行小时数等因素，综合选取风电场容量的5%作为制氢电源，即配套制氢功率为10 MW，产氢规模2 000 Nm3/h。

采用PEM电解水制氢工艺，制氢系统主要包括制氢电源、电解槽、气液分离及纯化装置、配套公用工程装置及控制系统。结合制氢设备的选型，以集装箱式设备和户内敞开式设备为基础考虑两种PEM 制氢方案。

（1）方案1：集装箱式制氢设备

如图2 所示，根据拟定的制氢规模及现有商业化的制氢设备性能参数，配置4 套500 Nm3/h PEM制氢装置，总制氢规模2 000 Nm3/h，制氢侧功率10 MW。

图2 集装箱式制氢设备示意

制氢系统采用集装箱式模块化设计，具备更好的密封性，在海上工况下，具备更强的防腐能力。单套500 Nm3/h 制氢系统由2 个40 尺集装箱组成，分为公用工程集装箱和制氢集装箱。本研究2 000 Nm3/h 的制氢规模共配置8 个40 尺集装箱。

公用工程集装箱包含水处理、冷冻水系统和控制系统、整流变压系统；制氢集装箱布置电解槽、气液分离系统、水精制和纯化系统。

（2）方案2：户内敞开式制氢设备

如图3 所示，根据拟定的制氢规模及户内敞开式制氢设备性能参数，配置2 套1 000 Nm3/h PEM 制氢装置，总制氢规模2 000 Nm3/h，制氢侧功率10 MW。

图3 户内敞开式制氢设备示意

制氢系统采用户内敞开式设计，对比集装箱式设计，设备裸露在户内环境中，对海上制氢平台提供的环境要求及制氢设备自身的防腐能力有相较严苛的考验。

本研究2 000 Nm3/h 的制氢规模共配置2 个1 000 Nm3/h 的电解槽，同时配套2 个变压器、2 个整流器、2 个水精制设备、1 个公用氢气提纯模块、低压配电设备和控制系统设备。

户内敞开式方案与集装箱式方案就制氢工艺流程方面来说，没有本质的功能区别，系统方案均由电源设备、水处理设备、电解设备、纯化设备及控制系统等方面组成。就集装箱式方案而言，其设备集成布置，空间利用紧凑，但单机规模普遍不超过500 Nm3/h。相较来说，户内敞开式方案设备布置相对独立，空间上也相对分散，但考虑其单机设备容量大，单机规模普遍在1 000 Nm3/h 水平，在大规模制氢应用背景下，其综合占地空间更小。

（3） PEM制氢系统架构

PEM制氢系统架构如图4 所示。高压交流电源经降压整流得到供电解槽用的直流电源，通过电解槽电解水得到氢气、氧气和水的混合物，经气液分离系统处理，得到粗氢和粗氧，最后经过纯化和干燥得到最终的纯氢产品。

图4 PEM 制氢系统架构

4 储运系统方案

大规模集中制氢和长距离输氢是未来趋势[9]，目前海上制氢还处在科研阶段，缺少相关工程经验可借鉴。参考陆上氢气运输模式，结合实际情况及短期内可能实现的技术突破，可以考虑的输氢方式主要有管道运输和高压气氢运输，即利用输氢管道或储氢瓶船运形式将氢气输送至陆地。

4.1 低压缓冲管道输送

氢气压力越高、材料的强度越高，氢脆和氢致开裂现象就越明显[10]，所以氢气管道优先选择“低钢级”钢管。PEM制氢设备氢气出口压力为3 MPa，可通过压缩机送入输氢管道输送至陆上。参考陆上纯氢管道的工程经验，站外长距离输氢管道材料类型推荐采用X42N（L290N），设计压力4 MPa。根据输气量2 000 Nm3/h 计算，设计管径不小于50 mm，最大流速8 m/s。

4.2 高压储氢船舶输送

PEM制氢设备氢气出口压力为3 MPa，同样通过3 MPa 缓冲罐经压缩机进行压缩，参考陆上高压气态氢运输压力，可选取20 MPa 作为氢气储运压力。本研究根据制氢系统产气量，匹配4 台500 Nm3/h 排气量的20 MPa 压缩机，4 台压缩机增加了系统运行的灵活性和可靠性。制备的氢气在经过增压处理后，在海上制氢平台完成20 MPa 管束式集装箱的充装，通过平台上的吊装设施将管束式集装箱整体吊装至特种运输船舶，完成制氢平台至陆上的氢气运输。