《2021年中國海洋經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，在海洋電力業(yè)方面，2021年我國海上風(fēng)電新增并網(wǎng)容量1690萬千瓦，是上年的5.5倍，累計(jì)裝機(jī)容量躍居世界第一。潮流能、波浪能等海洋開發(fā)利用技術(shù)的研發(fā)示范持續(xù)推進(jìn)。海洋電力業(yè)全年實(shí)現(xiàn)增加值329億元，比去年增長30.5%。
根據(jù)國家中長期發(fā)展規(guī)劃，到2020年底和2050年底，風(fēng)電裝機(jī)容量分別超過200GW和1000GW。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，大規(guī)模風(fēng)電場的聚集給當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)輸送帶來了極大壓力，“棄風(fēng)”現(xiàn)象正逐步增加。
01、海上風(fēng)電尋求新出路
風(fēng)電制氫技術(shù)作為一種新型的儲能方式，更多地將被應(yīng)用于平仰大規(guī)模風(fēng)電場發(fā)電的不均衡性，提高風(fēng)場風(fēng)電的利用率。
通過風(fēng)電制氫，離岸風(fēng)力發(fā)電的價(jià)值得以增加，因?yàn)閾碛胸S富離岸風(fēng)力資源的地區(qū)可以直接生產(chǎn)綠氫，而無需額外轉(zhuǎn)換成本將所產(chǎn)生的電輸送到岸上。同時(shí)，風(fēng)能是無限、免費(fèi)的能源，它能產(chǎn)生電解槽所需的電能生產(chǎn)綠氫。
這一模式帶來了更進(jìn)一步的優(yōu)勢，因?yàn)楝F(xiàn)場生產(chǎn)的氫氣可以通過管道輸送，與輸送電力所需的高壓直流輸電系統(tǒng)相比，管道具有更大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢;對于長距離輸送大量能源而言，管道是一種更具成本效益的選擇。
根據(jù)風(fēng)電來源的不同，可以將風(fēng)電制氫技術(shù)分為并網(wǎng)型風(fēng)電制氫和離網(wǎng)型風(fēng)電制氫兩種——
并網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)取電的制氫方式，比如從風(fēng)場的35kV或220kV電網(wǎng)側(cè)取電，進(jìn)行電解水制氫，主要應(yīng)用于大規(guī)模風(fēng)電場的棄風(fēng)消納和儲能。
離網(wǎng)型風(fēng)電制氫是將單臺風(fēng)機(jī)或多臺風(fēng)機(jī)所發(fā)的電能，不經(jīng)過電網(wǎng)直接提供給電解水制氫設(shè)備進(jìn)行制氫，主要應(yīng)用于分布式制氫或局部應(yīng)用于燃料電池發(fā)電供能。
從技術(shù)角度來看，風(fēng)電的隨機(jī)性、不穩(wěn)定性、波動性較大，而水電解制氫設(shè)備對電能質(zhì)量的穩(wěn)定性要求較高，頻繁的電力波動會對設(shè)備的運(yùn)行壽命及氫氣的純度質(zhì)量造成影響。如何進(jìn)行有效的電能匹配，提高制氫設(shè)備的可利用率需要研究探討。此外，當(dāng)前氫氣的儲存和運(yùn)輸成本較高，包括氫氣儲運(yùn)的安全性等都是制約氫能行業(yè)發(fā)展的瓶頸，儲運(yùn)技術(shù)需進(jìn)一步深入研究。
我國深遠(yuǎn)海區(qū)風(fēng)能儲量是近海的三倍以上，深遠(yuǎn)海風(fēng)電的開發(fā)具有非常大的潛力。海上風(fēng)電與海洋牧場、海上油氣、海水淡化，氫能、儲能多種能源綜合開發(fā)利用融合發(fā)展，有助于提升海域利用效率，提升項(xiàng)目整體效應(yīng)，是海上風(fēng)電的重要發(fā)展方向。
02、降本“良藥”，海風(fēng)制氫
海上風(fēng)電制氫方案的提出，不僅可以一定程度上解決海上風(fēng)電發(fā)展所面臨的問題，而且可為水電解制氫提供清潔持續(xù)穩(wěn)定并且低成本的電能。因此，海上風(fēng)電制氫是一個(gè)具有巨大創(chuàng)新潛力的前瞻性方案，同時(shí)也是當(dāng)前清潔能源技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。
海上風(fēng)電制氫優(yōu)勢：
1、借助風(fēng)電制氫建立風(fēng)儲一體化系統(tǒng)，能夠有效緩解海上風(fēng)電快速增長和電網(wǎng)建設(shè)速度較慢之間的矛盾，解決海上風(fēng)電消納問題，提高風(fēng)能利用率。
2、降低制氫成本：針對遠(yuǎn)海海上風(fēng)電高昂的電能送出成本，通過電解水方式,利用管道或船舶將氫氣輸送到用氫地，在成本和周期上都具備優(yōu)勢。
3、有望加速海上風(fēng)電成本的降低，保證海上風(fēng)電順利進(jìn)入平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代。同時(shí)，可助力海上風(fēng)電和綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會、人與自然的可持續(xù)發(fā)展。
但其實(shí)就目前國內(nèi)環(huán)境而言，我們目前對海上風(fēng)電制氫這一領(lǐng)域的實(shí)踐探索還處在一個(gè)起步階段。其主要原因是海上風(fēng)電制氫主要針對的是近海以外的海域，而我國目前的市場主體仍主要圍繞淺海海域，海上風(fēng)電制氫技術(shù)在針對近海及遠(yuǎn)海海域的能量轉(zhuǎn)化方面類比直流海纜更具有經(jīng)濟(jì)性，對未來海上風(fēng)電走向深遠(yuǎn)海具有重要意義。隨著海上風(fēng)電的意義逐漸突顯，海上風(fēng)電技術(shù)的逐步深耕，深遠(yuǎn)海與我們之間的距離被逐漸縮短，海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)的崛起也逐漸變得未來可期。
海上風(fēng)電制氫是指不直接通過輸電設(shè)施將電能輸送到岸上，而是通過制氫系統(tǒng)將電能通過電解水轉(zhuǎn)化為氫能，再通過輸氣管道運(yùn)輸?shù)桨渡线M(jìn)行使用，通過這種能量轉(zhuǎn)化的方式可以減少電能輸送成本過高的問題。如今，海上風(fēng)電方才進(jìn)入了平價(jià)時(shí)代，急需進(jìn)一步降低成本，以保證收益，海上制氫技術(shù)被視為最科學(xué)的解決方案。由于海上風(fēng)場距離岸邊的距離較遠(yuǎn)，輸電設(shè)施建設(shè)成本較高，而交流輸電過程中損耗太高、直流輸電建設(shè)成本難以縮減，通過能量轉(zhuǎn)化的方式同時(shí)且可以借助海上油氣平臺和天然氣管道進(jìn)一步降低成本。
03、海上風(fēng)電制氫技術(shù)路線
方案1：“電能+氫能”共享輸送方式
此方案適用于離岸近、敷設(shè)海纜傳輸電力尚具經(jīng)濟(jì)性的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目。方案的核心思想是將海上風(fēng)電的電能和海上風(fēng)電制取的氫氣通過共享的一條臍帶纜輸送，即“電能+氫能”共享輸送，如圖下所示。
方案2：海上制氫站+管道輸送氫氣
此方案適用于遠(yuǎn)海、敷設(shè)海纜傳輸電力已不具有經(jīng)濟(jì)性的海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目。風(fēng)電場風(fēng)機(jī)所發(fā)電能通過中壓集電海纜匯集到海上制氫站上,全部用來制取氫氣，制取的氫氣經(jīng)過海底壓力管道輸送到陸上儲氫裝置中，供陸上使用和消納，如圖下所示。
方案3：海上制氫站+運(yùn)輸船輸送氫氣
此方案適用于遠(yuǎn)海，如圖下所示。風(fēng)電場風(fēng)機(jī)所發(fā)電能通過中壓集電海纜匯集到海上制氫站，全部用來制取氫氣，制取的氫氣充裝在氫瓶組中。海上制氫站或運(yùn)輸船布置有吊機(jī)，氫氣瓶由運(yùn)輸船海運(yùn)到碼頭氫氣轉(zhuǎn)運(yùn)場地，供陸上使用和消納。
方案4：海上制氫站+加氫站+氫能船舶
此方案直接打造海上氫能“制儲運(yùn)加”閉環(huán)，適用于遠(yuǎn)海，如圖下所示。近年來，船舶航運(yùn)業(yè)帶來的環(huán)境污染問題受到國際社會的高度關(guān)注，綠色低碳已成為船舶航運(yùn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。氫燃料動力船舶是很好的解決方案，可實(shí)現(xiàn)船舶“零排放”的目標(biāo)。目前，汽車領(lǐng)域的氫燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用已較成熟，為氫燃料電池在船舶上的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
不同方案對比
方案1和方案2在短期內(nèi)不具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，需要技術(shù)攻關(guān)和科技創(chuàng)新，以提高安全性、可靠性并降低成本。
方案3在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均具有優(yōu)勢，因此“海上制氫站+運(yùn)輸船輸送氫氣”在現(xiàn)階段具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
方案4的氫動力船舶若在短期內(nèi)不能普及，則氫氣消納問題無法解決。
04、未來海上藍(lán)圖
由于風(fēng)電建設(shè)要考慮到用地及環(huán)境保護(hù)的問題，發(fā)電中心和負(fù)荷中心往往相反。我國南部相較于北部用電量要更大，人口聚集度也要更高，相對來說建設(shè)大規(guī)模新能源基地的難度也要更大。如果通過柔直電網(wǎng)建設(shè)將發(fā)電中心的富余電量送至負(fù)荷中心使確實(shí)可以解決南方地區(qū)新能源電的使用問題，但是此類項(xiàng)目成本大幅提高，技術(shù)難度上要求也要更高，目前來看僅適合相對短距離的跨地區(qū)輸電。也正因此，海上風(fēng)電因其地理位置的特殊性、發(fā)電曲線比較穩(wěn)定、季節(jié)性變化較小的特點(diǎn)，為我國的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勾勒了一幅全然一新的美好未來。
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示目前海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)成本在15000-17000 元/KW左右，而陸上風(fēng)電建設(shè)成本則在5000-7000 元/KW，海上風(fēng)電的投資成本相較于陸上風(fēng)電有著近兩倍的差距。而當(dāng)前我們所面對的僅僅是淺灘及近海風(fēng)電項(xiàng)目，如果想要風(fēng)電真正的走向深遠(yuǎn)海，建設(shè)成本將進(jìn)一步擴(kuò)大。
現(xiàn)如今海上風(fēng)電也已經(jīng)步入了平價(jià)時(shí)代，如何在能源市場中“殺”出一條血路?恐怕海上風(fēng)電制氫將會成為一個(gè)絕佳答案。當(dāng)我們跨越了風(fēng)電本身的技術(shù)關(guān)卡，市場和成本就成了風(fēng)電的“第二生命”。當(dāng)海上風(fēng)電徹底走出淺灘和近海，成本問題將決定了海上風(fēng)電能走多遠(yuǎn)，無論是整機(jī)本身成本還是安裝運(yùn)維，抑或是能源的輸送，每一個(gè)環(huán)節(jié)的成本都將關(guān)乎“生死”。風(fēng)電制氫的發(fā)展，許是下一歷史階段給予我們的全新命題。
