[科普]风电制氢技术在海上的应用

海上电解更便宜吗？一个新的项目将会给出答案。

想象一下，2040年出现了一个充满希望且很有可能实现的能源场景。许多国家和地区已实现了气候目标，并在朝着完全碳中和的方向前进。大部分能量来自风能和太阳能发电场。和现在一样，那时的风力发电场也在世界各地的海上运行，但并非所有的这些海上发电场都通过水下电缆与大陆相连。

在未来的海上风电场中，每一台风力涡轮机都可带有必需的系统，在固定涡轮机塔架的平台上生产氢气。多台涡轮机生产的氢气将通过管道输送到电力多元转换(Px)平台气体将在那里被用来生产甲烷或甲醇等燃料。

一些风力发电场坐落在100多千米外的海洋里。它们是高度自动化的生产岛，直接将风能转化为氢气，其中一些甚至可以将氢气加工成燃料和其他商品。在这些岛群中，风力涡轮机与利用淡化海水制氢的电解槽相结合。然后，由专用平台上的化工厂对部分氢进行加工处理，将其与氮结合生成氨，或与二氧化碳结合生成化石燃料的替代品。

船舶定期停靠在这些海上平台旁，运来原材料、运走生产的燃料和商品。所有的过程完全自动化，基本上能够自给自足。有一天，甚至船舶也可能实现自动化。在陆地，业务技术人员提供远程操作支持，每年只需出海几次检查机器和进行调整即可。

虽然现在这看起来像科幻小说，但实现这一愿景所需技术的主要示范工作已经在进行当中。大部分这类活动发生在欧洲，那里至少有10个大型海上风能和氢能项目，包括正在欧洲“北海”、大西洋和爱尔兰海岸附近建造或计划建造的示范系统。例如，法国氢气生产商Lhyfe正在圣纳泽尔海岸附近运营一个名为SEM-REV的试点项目，该项目自2022年9月以来一直在生产少量氢气。

英国公司ERM计划于2026年在苏格兰阿伯丁海岸附近启动并运行一个名为Dolphyn的10兆瓦示范项目。瑞典Vattenfall公司计划在同一地区建造一个海上制氢风力涡轮机示范项目。丹麦正在规划一个氢岛，旨在从2030年开始在海上生产大约100万吨的氢气。挪威公司H2Carrier提出了利用工业规模浮式生产装置在海上制造绿色氨的概念，最近获得了原则性批准。

从长远来看，为了满足对氢的需求，美国加州、加拿大新斯科舍省、日本和西澳大利亚都将目光投向了海洋。

目前，西门子能源公司正在与一个由来自业界和学术界的32家合作伙伴组成的联盟合作，开展一个名为H2Mare的风电制氢项目。西门子能源公司和西门子歌美飒公司共向这项技术投资了1.2亿欧元。H2Mare项目于2021年启动，将运行至2025年。届时，我们预计将完成一个5兆瓦的海上电解系统和一个完整的燃料生产工艺链测试，规模约为每天50升。我们还希望示范其他关键概念和系统的可行性，以及在海上恶劣环境中，这些系统相互合作的可靠性。

获得德国联邦教育和研究部总计7亿欧元资金投入的氢旗舰项目共有3个，H2Mare是其中之一。但德国并不是唯一投资氢技术的国家和地区。即便只是偶尔阅读商业新闻，你也可能会相信这个世界已经爱上了这种分子。欧盟批准了超过100亿欧元的资金用于与氢相关的工业项目。美国能源部已花费了超过90亿美元来发展氢经济，在2022年的《通胀削减法案》中制定了许多倡议计划。2022年年中，根据国际可再生能源机构统计，有32个国家和地区采用了氢能战略，另有11个国家和地区在筹备此类计划。

为什么都在大肆宣传氢能？在应对气候变化的斗争中，许多国家和地区承诺将实现二氧化碳净零排放。不同于今天，未来将是一个气候中性的世界，能源将主要来自光伏发电、风力涡轮机、可再生资源，可能还有一些核能。但并不是所有现在使用化石燃料的车辆、建筑物和工业过程都可以仅靠电力运行。例如，飞机靠电池动力无法进行长途飞行。另外，在许多用途场景下，能源不能在产生后立即使用，而必须储存数小时或数日，跨越大陆甚至海洋进行转移，这在目前的经济和技术上都是不可行的。

因此，一部分绿色电力将不得不转换成适合特定应用的其他类型的能源，专家称之为“电力多元转换”（Power-to-X，以下简称PtX）。这些应用主要集中在三大部门：运输、供暖和工业，以及制造和加工领域。所有这些都属于能源密集型产业。要为这些应用供电需，就要实现这些部门的电气化，或者通过PtX将电能转换成更合适的形式。

这就是氢发挥作用的地方。电解水制氢技术已经有200多年的历史了。这种气体可以为燃料电池汽车或燃气轮机提供动力；它可以直接用于化学过程，或与二氧化碳一起转化，生成甲烷、甲醇和化石燃料的其他替代品。如果用于生产氢气和燃料的电力来自可再生资源，这些产品就被认为属于绿色产品。

因此，氢正在推动全球向更清洁的能源转变。世界将需要更多的水。2021年，全球氢需求为9400万吨，其中大部分用于炼油和化学工业。今天几乎所有生产的氢气都被标为棕色、黑色或灰色，意味着它们是通过燃烧天然气或煤产生的。在这个过程中，每生产1吨氢气，会排放大约10吨二氧化碳。未来，我们需要用可再生电力通过电解产生的绿氢来代替这种脏氢。

根据各国和地区的脱碳速度，国际能源署（IEA）预测，到2030年，全球氢气需求将达到每年1.15亿至1.3亿吨，其中约3000万吨来自低排放生产。然而，要到2050年实现净零排放，世界还需要更多的氢。国际能源署估计，到2030年，这一数字将达到2亿吨左右，其中一半将来自低排放生产。我们还有很长的路要走：根据国际能源署的数据，2021年生产的氢气中，低排放生产的数量甚至不到1%，总计只有60万吨。

海上制氢将如何融入现有的脱碳计划？欧盟2050年的净零场景已经要求实现约450千兆瓦的海上风电装机能力。（目前，一个典型的海上风电场的装机容量约为1千兆瓦；未来的风电场中，每台风机的装机容量大约为2千兆瓦。）然而，最近的分析表明，为了生产氢气，欧盟可能部署大量的海上风电，超过净零计划指定的450千兆瓦，事实上，可能会多几百千兆瓦。

为了实现这些目标，必须要建设海上风电，而且要快。绿氢的生产需要电解槽、太阳能和风力发电场以及清洁的水，每生产1千克氢大约需要10升水。除此之外，PtX系统还生产甲烷、甲醇、合成电子燃料和氨。为了使这些绿色产品具有竞争力，这些生产地点的发电成本必须要低，并且必须在大部分时间以接近满负荷的能力发电。

海上风电场可以满足这两个标准。在欧洲和日本等人口密集地区，可以通过海上风电场为靠近沿海的需求中心生产至少一部分氢气，降低运输成本。此外，海上的风速通常更高、更稳定，可以实现持续高产出。

成本节约将来自几个方面。通常情况下，海上的风电只需被转换成直流电一次，然后用于电解水。水源就在海上平台周围，需要做的就是海水淡化和净化。相比之下，海上风力发电产生的电力通常需要多次转换和长距离传输，才能进入岸上的电网或电解装置，在此过程中会有电力损耗，降低效率。另一方面，通过管道从海上输送氢气比较容易。甲醇和氨等PtX产品甚至比氢气更容易运输，无论是通过管道还是船舶。

一种建议的配置是，漂浮式风力涡轮机置于离陆地60多千米以外的海上，通过高压直流电缆将电力传输至陆上的电解设备。

在H2Mare研究联盟中，西门子能源公司正在分析一种分散配置方式，其中每台风力涡轮机都生产氢气。然后这些气体可以通过管道或船只输送。

在集中式配置中，多台海上风力涡轮机向一个漂浮式变电站供电，将交流电转换为直流电，然后直流电将被用来制氢。

我们的H2Mare项目有几个主要目标。我们正在进行必要的详细分析，最终确定海上制氢和其他燃料是否具有经济意义和技术可行性。如果有，具体该怎么做？最佳设备配置、距离、产量等是多少？我们虽然不打算建造一个全尺寸的海上PtX生产平台，但确实计划在远海的驳船上建造一个测试平台，以及在陆上测试电解系统装置。

我们要回答的最重要的问题之一是：在海上生产PtX设施的最佳方式是什么？为了生产燃料或氨等产品，需要为这些设施提供氢气或者电力；在后一种情况下，PtX平台将通过电解淡化海水来生产氢气。但是，如果是其他平台为PtX设施供应氢气，问题就变成了：生产氢气的最佳方式是什么？我们可以为每一台生产氢气风力涡轮机配备PtX设施，或者可以在一个单独的平台上，组合多台风力涡轮机的电力生产氢气，然后供应给PtX平台。事实证明，前一种方案更好。

另一个重要问题是如何实现这些兆瓦级风电制氢岛的稳定生产以及PtX岛的自动运行。无论是否生产氢气或PtX产品，这些生产岛都不会直接与陆上的电网相连，它们需要独立可靠地运行。

考虑到这些平台必须在急剧变化的环境中运行，这并不容易。海上的天气在大风、暴风雨和偶尔的平静中交替变化，有时从一种变化到另一种变化只需几分钟。这意味着风力涡轮机的发电量会有很大的变化。结果是，向各种设施供应的电力和氢气会有很大变化。

这种变化会给电力系统带来压力。因为没有连接电网，这些平台基本上将作为孤立的小型电网运行，因此必须处理突发的电涌。

而在风停了很长一段时间后，化工厂和其他海上设施将必须在没有外部电力的情况下重新启动。这就是所谓的“黑启动能力”。在一个孤立的自动化微小电网中，还没有一个标准的过程，所以我们在试图设计一些。例如，我们正在考虑使用哪种电池，以及如何设计化学过程，从而可靠地重新启动设施。

电解槽也必须选择在海上动态环境中性能最佳的。工业电解有3种主要类型，这种情况下，其中的质子交换膜（PEM）是理想的选择。质子交换膜电解槽可在几分钟内启动，并能处理快速的负载变化。作为H2Mare的一部分，我们正在设计和建造专门用于海上场景的质子交换膜电池，并希望很快对它们进行测试，看看它们在电力急剧变化时的表现如何。

我们发现过程控制将发挥重要作用。与涡轮机相连的各个电解槽需要控制，确保它们均匀地老化，并且总停机时间保持在最低限度。我们现在的实验目的是找到最有效的运行模式。例如，了解电解槽的废热是否可以用于海水淡化，以及这些热量是否足够满足整个工厂的运行条件。

H2Mare还将研究管理小岛电网的初部策略。如果电解槽意外停机，会出现什么情况？为了防止电网崩溃，将多余的电能非常迅速输送到哪里？反过来说，如何设计电解槽来应对风力减弱和电力供应突然中断？

为了回答这些问题，我们打算在未来两年内建造并运行一个带有海水淡化系统的5千兆瓦电解槽的陆上测试系统。在测试中，我们将再创建一个海上环境，包括海上的风况。

对于发电和电解系统以及PtX设施，最重要的研究目标是找出如何在动态环境、孤立和自动化的情况下稳定运行。当能量和反应物持续供应时，化学过程通常是最有效的。但在海上，它们将不可避免地发生波动。我们正在开发的概念是使用电池或储氢系统来平缓波动。诀窍在于将这些缓冲器的成本保持在最低水平。另一种可能性是模块化设计，并行模块彼此协调启动或关闭。

卡尔斯鲁厄理工学院的能源实验室2.0是我们大部分PtX研究的大本营。该实验室拥有各种与能源相关的研发设施，包括可再生能源发电、能源存储和PtX，以及智能家居和电动汽车基础设施。在H2Mare项目中，它作为干船坞：在这里，我们使用海上风电场的典型功率特性运行PtX电厂原型，在瞬态条件下和孤岛模式下，模拟其最佳运行。

与此同时，西门子能源公司正在推进为海上风力涡轮机开发商业电解系统的计划。根据目前的估计，该公司第一个集成制氢功能的风力涡轮机原型可能在2026年下水，容量从几百兆瓦到千兆瓦规模的商业项目将会在出现这个十年末。

如果一切进展顺利，海上制氢可以帮助我们快速、大规模地向气候中性能源过渡，这是实现2040年的目标所需要的。我们预计，商业规模自给自足的PtX生产岛将具有现实的可能性，但最早要等到2040年才能实现。它们的外表和功能是否与我们在本文中描述的完全一样，在很大程度上取决于从H2Mare以及欧洲和其他地方的类似项目中获得的知识。

作者：Matthias Muelle, Roland Dittmeyer