海上风电制氢产业发展研究

宪 凯

（华电重工股份有限公司，北京 100070）

海上风电制氢是指利用海上风电系统产生的电能，通过电解水方式制取氢气。作为一种绿色能源，氢气具有能量高、绿色环保、无毒、无污染等优势，在交通运输、电子工业、化学工业、冶金工业、气象科学、国防、航天、电网储能调配等领域都有重要作用[1]。海上风电制氢是促进我国未来各行各业能源转型的支柱产业，随着碳达峰碳中和目标的提出，未来的能源主战场是新型绿色能源，优化新能源为核心的新型电力系统是社会绿色可持续发展的客观要求，要想将新能源大规模应用到电力系统中，必须解决氢气储存问题[2]。我国是全球氢气需求量和生产量第一大国，氢能源需求量会持续增长，未来海上风电制氢产业发展可期。

1 电解水制氢原理和技术分类

电解水制氢就是通过直流电的作用，将溶解在水中的电解质分解成氢气和氧气。目前，电解水制氢技术主要有4 种，即碱性电解水、质子交换膜电解水、阴离子交换膜电解水和固体氧化物电解水[3]，具体对比如表1 所示。从材料、性能、效率和成本来看，4 种电解水制氢技术都具有独特的优势。其中，碱性电解水和质子交换膜电解水的技术成熟度较高，它们已经应用于商业领域，也是海上风电制氢产业主要使用的两种技术手段[4]。

表1 电解水制氢技术对比

1.1 碱性电解水制氢

碱性电解水制氢技术就是在碱性电解质场景下分解出氢气和氧气，电解质一般为浓度30%的氢氧化钾溶液或26%的氢氧化钠溶液。该技术的阴极和阳极不使用贵金属，成本低，商业化成熟度高，运行经验丰富，但其制氢效率低、性能差。

1.2 质子交换膜电解水制氢

质子交换膜电解水制氢技术就是在质子交换膜固态电解质和纯水电解质组成的场景下分解出氢气和氧气。该技术正处在逐步商业化发展阶段，相比碱性电解水制氢技术，它具有安全性高、效率高、性能高等优点，但电解槽需要在强酸和高氧化性场景内工作，需要价格昂贵的金属材料作为基础介质，如铱、铂、钛等，所以成本控制不够完善。另外，质子交换膜电解水制氢技术在有特殊要求的场景下更具优势，我国大量新建电解水制氢项目已经开始选用该技术，未来，商业化渗透率会持续增大。

1.3 阴离子交换膜电解水制氢

阴离子交换膜电解水制氢技术正处于材料研发阶段，技术还不够完善。技术目标是将碱性电解水制氢的低成本与质子交换膜电解水制氢的高效率完美融合，避免电解槽在强酸和高氧化性场景内工作时使用贵金属材料，但目前技术还不够稳定，材料传导性差，使用寿命较短。

1.4 固体氧化物电解水制氢

目前，固体氧化物电解水制氢技术处于规模化量产前的工艺优化阶段。电解槽工作温度为700～900 ℃，可以使用廉价的镍作为阳极。高温场景下，电解槽进料为水蒸气，其中加入CO2产生化学反应，形成H2和CO 混合燃料，它可直接应用于工业领域，这是该技术的未来发展方向。

2 海上风电制氢技术的产业模式

布置电解槽是海上风电制氢站建设的基础，这就需要优先考虑风能资源丰富的区域和靠近氢能源商业消费市场的区域。待确定电解槽建设位置后，要规划设计海上电缆铺设方案。目前，海上风电制氢的产业模式主要有4 种，即海上风电并网陆上制氢、海上风电并网余电制氢+燃料电池发电反向并网、离网海上中心平台制氢、离网海上风机+一体化电解槽制氢[5]。海上风电制氢过程中，要做好氢气运输和储存。

2.1 海上风电制氢的氢气运输

氢气运输是一个高度危险的过程，这就需要科学设计运输方案。天然气管道掺氢运输是大规模运输氢气的有效手段，特别适用于深海、铺设海缆运输电力已不具备经济价值的海上风电制氢项目。但是，受管道材质、使用寿命、氢气占比、管道压力、掺入元素和外界环境等因素影响，氢气掺入天然气管道后会滋生安全隐患，天然气管道系统的压缩机、阀门、控制器等构件可能发生氢脆、泄漏和渗透等问题。天然气管道掺氢运输在很多发达国家已经投入使用，技术完善，我国目前还处于初步发展阶段，重点研究方向为深海远距离天然气掺氢运输管道。为避免氢气运输过程出现安全隐患，首先要考虑管道材质，选用强度等级高的钢材，保证天然气掺氢管道的使用寿命，避免发生氢脆现象。海上天然气管道掺氢运输是深海氢气运输行之有效的方法，是我国海上风电制氢产业进军深海的重要基础保障，也是解决氢气消纳问题的重点研究方向。相比离岸近、铺设海缆传输电力具有经济价值的海上风电制氢项目，深海海上风电制氢项目的氢气运输手段更加繁杂，难度系数更大。我国科研人员需要结合已有的氢气运输项目经验及海上天然气物质组成特性，不断深入研究，减小掺入氢气对管道的不良影响。

2.2 海上风电制氢的氢气储存

海上风电制氢是消纳海上风电的有效途径，相比电力，氢气更加容易储存，运输成本较低，它是海上风电参与电网调峰的有效手段。但是，氢气体积密度较低，海上风电制氢面临环境复杂、建设难度大、成本高、安全系数低和技术不成熟等问题，导致氢气存储能力受到限制，储氢的空间成本很高，氢气的高效存储和经济存储是海上风电制氢产业急需攻克的问题。目前，我国重点研究的储氢方法有两种，即海底盐穴储存氢气和海上废弃油气田储存氢气。

2.2.1 海底盐穴储存氢气

海底盐穴就是盐矿开采后留下的海底洞穴，在高温高压的条件下，洞穴内的盐可以将内部裂缝自动填补愈合，经过一段时间后，海底盐穴就会形成很好的密封空间，其具有体积大、成本低、密封性好、安全性高等优点，可应用于石油、天然气和氢气等能源的储存。海上风电制氢产生氢气，当陆地上有氢气需求时，利用天然气管道掺氢手段将其运送到陆地上，直接用于商业消费，当氢气产生量供大于求时，可以利用海底盐穴储存氢气，当求大于供时，再将海底盐穴储存的氢气及时送出，起到很好的调峰作用。但是，海底盐穴储存氢气会受海底地质构造的影响，技术成熟度还不足以支持全面推广应用。海底盐穴储存氢气，大量氢气高频率灌入或抽送时，可能会发生井筒材料破裂、洞穴结构损坏等现象，相关技术还需要不断完善。

2.2.2 海上废弃油气田储存氢气

海上油气开采需要建设大量的海上开发设施，废弃处置是油气田开发的最终环节，海上油气田停止生产作业后，如果没有其他合理用途，必须进行废弃处理。海上废弃油气田具有存储量大、经久耐用、安全性高等优点，所以，海上废弃油气田可应用于海上风电制氢的氢气储存，该方法具有很大的经济优势，但技术还不够成熟。与海底盐穴储存氢气相比，废弃油气田的内部会存在很多残留气体，如CH4、H2、CO2等，如果氢气储存其中，就会影响氢气的品质和后续的直接利用，但如果能够得到有效的利用，未来将有越来越多的枯竭油气田变为储存氢气的宝葫芦，这将成为海上风电制氢产业可持续发展的新支撑。

3 结语

可再生能源的有效开发是社会可持续发展的强大助力，随着海上风电制氢产业的快速发展，绿氢新能源未来是可以和化石燃料竞争的存在。相比陆地风力发电，海上风力发电具有更加丰富且一致的风力资源，发电系统具有更高的应用效率和性能，特别是近年来我国已经向更深的海域开发，应用于建设风力发电设施的区域十分广阔。目前，海上风电制氢产业的主要技术为质子交换膜电解水制氢，我国已经开发出单堆1 000 kW 的质子交换膜电解槽，很多新建海上风电制氢基地已经开始投入使用，商业化效果十分显著，但应用成本依然偏高。未来，科研人员要持续推进技术创新，研发出低成本、高效率、高性能、寿命长、低电耗的海上风电制氢技术，优化产业模式，做好氢气运输和储存，最终实现海上风电制氢产业的可持续发展。