[科普]風電制氫技術在海上的應用
海上電解更便宜嗎？一個新的項目將會給出答案。
想象一下，2040年出現了一個充滿希望且很有可能實現的能源場景。許多國家和地區(qū)已實現了氣候目標，并在朝著完全碳中和的方向前進。大部分能量來自風能和太陽能發(fā)電場。和現在一樣，那時的風力發(fā)電場也在世界各地的海上運行，但并非所有的這些海上發(fā)電場都順利獲得水下電纜與大陸相連。
在未來的海上風電場中，每一臺風力渦輪機都可帶有必需的系統(tǒng)，在固定渦輪機塔架的平臺上生產氫氣。多臺渦輪機生產的氫氣將順利獲得管道輸送到電力多元轉換(Px)平臺氣體將在那里被用來生產甲烷或甲醇等燃料。
一些風力發(fā)電場坐落在100多千米外的海洋里。它們是高度自動化的生產島，直接將風能轉化為氫氣，其中一些甚至可以將氫氣加工成燃料和其他商品。在這些島群中，風力渦輪機與利用淡化海水制氫的電解槽相結合。然后，由專用平臺上的化工廠對部分氫進行加工處理，將其與氮結合生成氨，或與二氧化碳結合生成化石燃料的替代品。
船舶定期?？吭谶@些海上平臺旁，運來原材料、運走生產的燃料和商品。所有的過程完全自動化，基本上能夠自給自足。有一天，甚至船舶也可能實現自動化。在陸地，業(yè)務技術人員給予遠程操作支持，每年只需出海幾次檢查機器和進行調整即可。
雖然現在這看起來像科幻小說，但實現這一愿景所需技術的主要示范工作已經在進行當中。大部分這類活動發(fā)生在歐洲，那里至少有10個大型海上風能和氫能項目，包括正在歐洲“北?！?、大西洋和愛爾蘭海岸附近建造或計劃建造的示范系統(tǒng)。例如，法國氫氣生產商Lhyfe正在圣納澤爾海岸附近運營一個名為SEM-REV的試點項目，該項目自2022年9月以來不斷在生產少量氫氣。
英國公司ERM計劃于2026年在蘇格蘭阿伯丁海岸附近啟動并運行一個名為Dolphyn的10兆瓦示范項目。瑞典Vattenfall公司計劃在同一地區(qū)建造一個海上制氫風力渦輪機示范項目。丹麥正在規(guī)劃一個氫島，旨在從2030年開始在海上生產大約100萬噸的氫氣。挪威公司H2Carrier提出了利用工業(yè)規(guī)模浮式生產裝置在海上制造綠色氨的概念，最近取得了原則性批準。
從長遠來看，為了滿足對氫的需求，美國加州、加拿大新斯科舍省、日本和西澳大利亞都將目光投向了海洋。
現在，西門子能源公司正在與一個由來自業(yè)界和學術界的32家合作伙伴組成的聯盟合作，召開一個名為H2Mare的風電制氫項目。西門子能源公司和西門子歌美颯公司共向這項技術投資了1.2億歐元。H2Mare項目于2021年啟動，將運行至2025年。屆時， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 預計將完成一個5兆瓦的海上電解系統(tǒng)和一個完整的燃料生產工藝鏈測試，規(guī)模約為每天50升。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 還希望示范其他關鍵概念和系統(tǒng)的可行性，以及在海上惡劣環(huán)境中，這些系統(tǒng)相互合作的可靠性。
取得德國聯邦教育和研究部總計7億歐元資金投入的氫旗艦項目共有3個，H2Mare是其中之一。但德國并不是唯一投資氫技術的國家和地區(qū)。即便只是偶爾閱讀商業(yè)新聞，你也可能會相信這個世界已經愛上了這種分子。歐盟批準了超過100億歐元的資金用于與氫相關的工業(yè)項目。美國能源部已花費了超過90億美元來開展氫經濟，在2022年的《通脹削減法案》中制定了許多倡議計劃。2022年年中，根據國際可再生能源組織統(tǒng)計，有32個國家和地區(qū)采用了氫能戰(zhàn)略，另有11個國家和地區(qū)在籌備此類計劃。
為什么都在大肆宣傳氫能？在應對氣候變化的斗爭中，許多國家和地區(qū)承諾將實現二氧化碳凈零排放。不同于今天，未來將是一個氣候中性的世界，能源將主要來自光伏發(fā)電、風力渦輪機、可再生資源，可能還有一些核能。但并不是所有現在使用化石燃料的車輛、建筑物和工業(yè)過程都可以僅靠電力運行。例如，飛機靠電池動力無法進行長途飛行。另外，在許多用途場景下，能源不能在產生后立即使用，而必須儲存數小時或數日，跨越大陸甚至海洋進行轉移，這在現在的經濟和技術上都是不可行的。
因此，一部分綠色電力將不得不轉換成適合特定應用的其他類型的能源，專家稱之為“電力多元轉換”（Power-to-X，以下簡稱PtX）。這些應用主要集中在三大部門：運輸、供暖和工業(yè)，以及制造和加工領域。所有這些都屬于能源密集型產業(yè)。要為這些應用供電需，就要實現這些部門的電氣化，或者順利獲得PtX將電能轉換成更合適的形式。
這就是氫發(fā)揮作用的地方。電解水制氫技術已經有200多年的歷史了。這種氣體可以為燃料電池汽車或燃氣輪機給予動力；它可以直接用于化學過程，或與二氧化碳一起轉化，生成甲烷、甲醇和化石燃料的其他替代品。如果用于生產氫氣和燃料的電力來自可再生資源，這些產品就被認為屬于綠色產品。
因此，氫正在有助于全球向更清潔的能源轉變。世界將需要更多的水。2021年，全球氫需求為9400萬噸，其中大部分用于煉油和化學工業(yè)。今天幾乎所有生產的氫氣都被標為棕色、黑色或灰色，意味著它們是順利獲得燃燒天然氣或煤產生的。在這個過程中，每生產1噸氫氣，會排放大約10噸二氧化碳。未來， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 需要用可再生電力順利獲得電解產生的綠氫來代替這種臟氫。
根據各國和地區(qū)的脫碳速度，國際能源署（IEA）預測，到2030年，全球氫氣需求將達到每年1.15億至1.3億噸，其中約3000萬噸來自低排放生產。然而，要到2050年實現凈零排放，世界還需要更多的氫。國際能源署估計，到2030年，這一數字將達到2億噸左右，其中一半將來自低排放生產。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 還有很長的路要走：根據國際能源署的數據，2021年生產的氫氣中，低排放生產的數量甚至不到1%，總計只有60萬噸。
海上制氫將如何融入現有的脫碳計劃？歐盟2050年的凈零場景已經要求實現約450千兆瓦的海上風電裝機能力。（現在，一個典型的海上風電場的裝機容量約為1千兆瓦；未來的風電場中，每臺風機的裝機容量大約為2千兆瓦。）然而，最近的分析表明，為了生產氫氣，歐盟可能部署大量的海上風電，超過凈零計劃指定的450千兆瓦，事實上，可能會多幾百千兆瓦。
為了實現這些目標，必須要建設海上風電，而且要快。綠氫的生產需要電解槽、太陽能和風力發(fā)電場以及清潔的水，每生產1千克氫大約需要10升水。除此之外，PtX系統(tǒng)還生產甲烷、甲醇、合成電子燃料和氨。為了使這些綠色產品具有競爭力，這些生產地點的發(fā)電成本必須要低，并且必須在大部分時間以接近滿負荷的能力發(fā)電。
海上風電場可以滿足這兩個標準。在歐洲和日本等人口密集地區(qū)，可以順利獲得海上風電場為靠近沿海的需求中心生產至少一部分氫氣，降低運輸成本。此外，海上的風速通常更高、更穩(wěn)定，可以實現持續(xù)高產出。
成本節(jié)約將來自幾個方面。通常情況下，海上的風電只需被轉換成直流電一次，然后用于電解水。水源就在海上平臺周圍，需要做的就是海水淡化和凈化。相比之下，海上風力發(fā)電產生的電力通常需要多次轉換和長距離傳輸，才能進入岸上的電網或電解裝置，在此過程中會有電力損耗，降低效率。另一方面，順利獲得管道從海上輸送氫氣比較容易。甲醇和氨等PtX產品甚至比氫氣更容易運輸，無論是順利獲得管道還是船舶。
一種建議的配置是，漂浮式風力渦輪機置于離陸地60多千米以外的海上，順利獲得高壓直流電纜將電力傳輸至陸上的電解設備。
在H2Mare研究聯盟中，西門子能源公司正在分析一種分散配置方式，其中每臺風力渦輪機都生產氫氣。然后這些氣體可以順利獲得管道或船只輸送。
在集中式配置中，多臺海上風力渦輪機向一個漂浮式變電站供電，將研討電轉換為直流電，然后直流電將被用來制氫。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的H2Mare項目有幾個主要目標。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在進行必要的詳細分析，最終確定海上制氫和其他燃料是否具有經濟意義和技術可行性。如果有，具體該怎么做？最佳設備配置、距離、產量等是多少？ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 雖然不打算建造一個全尺寸的海上PtX生產平臺，但確實計劃在遠海的駁船上建造一個測試平臺，以及在陸上測試電解系統(tǒng)裝置。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 要回答的最重要的問題之一是：在海上生產PtX設施的最佳方式是什么？為了生產燃料或氨等產品，需要為這些設施給予氫氣或者電力；在后一種情況下，PtX平臺將順利獲得電解淡化海水來生產氫氣。但是，如果是其他平臺為PtX設施供應氫氣，問題就變成了：生產氫氣的最佳方式是什么？ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以為每一臺生產氫氣風力渦輪機配備PtX設施，或者可以在一個單獨的平臺上，組合多臺風力渦輪機的電力生產氫氣，然后供應給PtX平臺。事實證明，前一種方案更好。
另一個重要問題是如何實現這些兆瓦級風電制氫島的穩(wěn)定生產以及PtX島的自動運行。無論是否生產氫氣或PtX產品，這些生產島都不會直接與陸上的電網相連，它們需要獨立可靠地運行。
考慮到這些平臺必須在急劇變化的環(huán)境中運行，這并不容易。海上的天氣在大風、暴風雨和偶爾的平靜中交替變化，有時從一種變化到另一種變化只需幾分鐘。這意味著風力渦輪機的發(fā)電量會有很大的變化。結果是，向各種設施供應的電力和氫氣會有很大變化。
這種變化會給電力系統(tǒng)帶來壓力。因為沒有連接電網，這些平臺基本上將作為孤立的小型電網運行，因此必須處理突發(fā)的電涌。
而在風停了很長一段時間后，化工廠和其他海上設施將必須在沒有外部電力的情況下重新啟動。這就是所謂的“黑啟動能力”。在一個孤立的自動化微小電網中，還沒有一個標準的過程，所以 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在試圖設計一些。例如， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在考慮使用哪種電池，以及如何設計化學過程，從而可靠地重新啟動設施。
電解槽也必須選擇在海上動態(tài)環(huán)境中性能最佳的。工業(yè)電解有3種主要類型，這種情況下，其中的質子交換膜（PEM）是理想的選擇。質子交換膜電解槽可在幾分鐘內啟動，并能處理快速的負載變化。作為H2Mare的一部分， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在設計和建造專門用于海上場景的質子交換膜電池，并希望很快對它們進行測試，看看它們在電力急劇變化時的表現如何。
■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 發(fā)現過程控制將發(fā)揮重要作用。與渦輪機相連的各個電解槽需要控制，確保它們均勻地老化，并且總停機時間保持在最低限度。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 現在的實驗目的是找到最有效的運行模式。例如，分析電解槽的廢熱是否可以用于海水淡化，以及這些熱量是否足夠滿足整個工廠的運行條件。
H2Mare還將研究管理小島電網的初部策略。如果電解槽意外停機，會出現什么情況？為了防止電網崩潰，將多余的電能非常迅速輸送到哪里？反過來說，如何設計電解槽來應對風力減弱和電力供應突然中斷？
為了回答這些問題， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 打算在未來兩年內建造并運行一個帶有海水淡化系統(tǒng)的5千兆瓦電解槽的陸上測試系統(tǒng)。在測試中， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將再創(chuàng)建一個海上環(huán)境，包括海上的風況。
對于發(fā)電和電解系統(tǒng)以及PtX設施，最重要的研究目標是找出如何在動態(tài)環(huán)境、孤立和自動化的情況下穩(wěn)定運行。當能量和反應物持續(xù)供應時，化學過程通常是最有效的。但在海上，它們將不可避免地發(fā)生波動。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 正在開發(fā)的概念是使用電池或儲氫系統(tǒng)來平緩波動。訣竅在于將這些緩沖器的成本保持在最低水平。另一種可能性是模塊化設計，并行模塊彼此協(xié)調啟動或關閉。
卡爾斯魯厄理工學院的能源實驗室2.0是 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 大部分PtX研究的大本營。該實驗室擁有各種與能源相關的研發(fā)設施，包括可再生能源發(fā)電、能源存儲和PtX，以及智能家居和電動汽車基礎設施。在H2Mare項目中，它作為干船塢：在這里， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 使用海上風電場的典型功率特性運行PtX電廠原型，在瞬態(tài)條件下和孤島模式下，模擬其最佳運行。
與此同時，西門子能源公司正在推進為海上風力渦輪機開發(fā)商業(yè)電解系統(tǒng)的計劃。根據現在的估計，該公司第一個集成制氫功能的風力渦輪機原型可能在2026年下水，容量從幾百兆瓦到千兆瓦規(guī)模的商業(yè)項目將會在出現這個十年末。
如果一切進展順利，海上制氫可以幫助 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 快速、大規(guī)模地向氣候中性能源過渡，這是實現2040年的目標所需要的。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 預計，商業(yè)規(guī)模自給自足的PtX生產島將具有現實的可能性，但最早要等到2040年才能實現。它們的外表和功能是否與 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在本文中描述的完全一樣，在很大程度上取決于從H2Mare以及歐洲和其他地方的類似項目中取得的知識。
作者：Matthias Muelle, Roland Dittmeyer
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