海上风能和氢气生产一体化的挑战和潜力

在过去的十年里，氢技术和海上风能经历了显著的增长。通过整合这两种技术，可以实现能源系统和脱碳的进步。
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长期以来，氢气的使用——无论是作为直接燃料还是燃料电池——或作为化石燃料的替代品都受到了赞扬。但现在氢取得了突破，成为能源转型的核心元素。其重要性基于三个特征[12]：

• 能源密集型行业（钢铁、化工等）脱碳的潜力
• 可以作为能量载体灵活储存（例如在盐穴、储罐或管道中）
• 可以高体积能量密度运输（例如压缩气体或液体形式）
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绿色氢将在实现全球气候目标方面发挥核心作用。因此，必须扩大其生产规模。根据净零排放情景的计算基础，2050年每年将需要约5亿吨氢气，而目前的产量约为每年1亿吨[5]。未来，大部分氢气应该通过电解生产。所需的电力可以由海上风能提供。

许多国家将海上风电视为其脱碳战略的核心要素。考虑到气候中立的目标，欧盟委员会决定在2050年之前在欧洲安装300吉瓦的海上风电容量。[9] 对于中国来说，海上风电也是涵盖2021年至2025年发展战略的“十四五”规划的核心主题。许多省份都公布了这方面的量化目标。例如，广东省计划到2025年将海上风电装机容量扩大到18吉瓦[10]。

氢技术和海上风能的整合需要在以下领域进行创新：
1、浮式海上风能开发
2.海上电解的发展
3.降低成本
 

海上浮式风能的发展

世界上只有5%的电力是由风力发电产生的，大多数设施位于陆上。由于海上风速通常更高、更恒定，安装在海上的风力涡轮机理论上可以产生更多的电力。下图显示了风速与可发电量之间的关系，指的是6兆瓦的风力涡轮机。从大约11m/s的风速开始，相当于风力6，被称为“强风”，涡轮机达到其额定功率。海上风力涡轮机更经常地达到这个范围。在北海，每年可实现约4000个满载小时，在最佳海上位置，这一值超过6000小时。根据经验，我们可以说，风电场的位置离海岸越远，可能需要的时间就越多。

有几种方法可以安装海上风力涡轮机。当水深达到60米时，风力涡轮机通过固定的下部结构固定在海底。然而，约80%的海上风电资源的水深超过60米[2]。在这种情况下，出于经济原因选择浮动解决方案。例如，带有“张力腿平台”的风力涡轮机可以安装到2000米的水深[3]

浮式海上风能试点项目越来越多。例如，RWE和Saitec Offshore Technologies于2020年2月宣布联合实现浮动式海上风力涡轮机。[7] 在试点项目“DemoSATH”中，一台额定功率为2兆瓦的浮动式海上风力涡轮机将安装在西班牙巴斯克海岸约3公里处，水深85米。该项目计划于2022年第三季度开始。8

海上电解技术的发展

将讨论将海上风能与氢气生产相结合的三个概念。

使用海上风能的集中式陆上电解：

在这个概念中，海上风力涡轮机的电力通过电缆输送到位于陆上的电解槽。电解用水可以由当地供应商提供。如果海上风力涡轮机位于远海，这一概念可能无利可图，因为高压直流电缆中的能量损失和成本会随着距离的增加而增加
 

使用海上风能的集中式海上电解：

在这个概念中，电解槽安装在海上，例如船上，并通过电力电缆连接到海上风力涡轮机。产生的氢气被压缩，然后通过管道输送到岸边。长距离管道比电力电缆便宜，使用寿命为40至80年[4]
 

利用海上风能进行分散式海上电解：

海上风力涡轮机均与电解槽相连。产生的电力直接用于生产氢气，然后压缩并通过管道输送到岸边。这一概念的主要优点是分散带来的弹性，即如果一个电解槽发生故障，其余电解槽仍可以生产氢气
 

这两个概念之间的一个关键区别是能量载体：集中式陆上电解使用电力电缆将海上风能输送到岸边，而海上电解概念使用氢气作为能量载体（33kWh/kg），并通过管道将其输送到岸边。在长距离和高质量流量下，氢气是更经济可行的替代品。[18]

用于输送氢气的管道已经投入实际使用。例如，美国有2575公里长的氢气运输管道。德国有大约400公里的管道[4]。由于氢气的分子量非常低，因此选择往复式压缩机在管道中产生所需的压力。

海上应用对往复式压缩机提出了具体要求。例如，往复式压缩机的设计必须能够抵抗潮湿和含盐条件下的生锈。此外，还必须考虑波浪运动，这可能会影响活塞和活塞杆密封
 

降低成本

海上风能为绿色氢气生产提供了巨大的潜力。浮式方法也有望利用更恒定和更高的风速。但对于海上风能的广泛扩张，必须进一步降低成本。为此目的存在各种方法：除了通过产品标准化降低单位成本外，集成设计是另一种解决方案。NEUMAN&ESSER与其他公司合作，已经在开发“浮式海上风能制氢”的集成设计概念。在这里，风力涡轮机、电解槽、活塞式压缩机、管道中的电力和氢气流量在模型中进行了分析和优化，从而在整个生命周期内实现了全局最优。因此，可以降低平准化能源成本（LCOE）。

根据研究，浮动解决方案的市场将比固定子结构的市场更大。目前，浮式解决方案的LCOE为175欧元/MWh，而固定式子结构解决方案的低成本运行费用为90欧元/MWh[1]。预计到2050年，这两种解决方案将趋同于35欧元/兆瓦时[1]
 

海上风能预测及结论

长期以来，英国和德国等欧洲工业化国家拥有最大的海上风电装机容量。最近，亚太国家迅速迎头赶上，尤其是中国和越南。2021年，中国负责80%的新海上设施，现在拥有全球48%的海上风电装机容量。

根据研究，到2050年，全球海上风电装机容量预计将达到630吉瓦，高于2021年的55吉瓦，在1.5°情景下的上行潜力为1000吉瓦。[6]，[11]
未来，数千台海上风力涡轮机将在亚洲、欧洲、北美和其他地区的海岸旋转并发电。这种能源将用于生产绿色氢气，这对于使能源系统更加灵活和稳健以有效地实现经济脱碳至关重要