海上風(fēng)電制氫與電能直接外送差異綜述

董輝，葛維春，張?jiān)娿g，劉闖，楚帥

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省 吉林市 132012；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧省 沈陽市 110006；3.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧省 沈陽市 110870）

0 引言

面對目前全球環(huán)境污染與氣候不斷升高的困境，我國提出了力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)[1-3]。大力發(fā)展風(fēng)電等清潔能源是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑，截至2021年上半年，我國陸上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2.81億kW[4-5]。近年來，海上風(fēng)電開發(fā)成為風(fēng)能領(lǐng)域進(jìn)步的制高點(diǎn)[6-7]。

中國近海風(fēng)力資源豐富，大陸海岸線長，海上風(fēng)速不低于6 m/s的時間約為4 000 h[8]，具備很大的開發(fā)價值。2021年海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1 113.4萬kW，并且主要分布于東南沿海及附近島嶼。文獻(xiàn)[9]介紹了江蘇如東H4海上風(fēng)電場，其建設(shè)規(guī)模達(dá)400 MW，配置一座220 kV的海上升壓站，電能經(jīng)兩回路海纜送至陸地；文獻(xiàn)[10]介紹了三峽新能源集團(tuán)建設(shè)的陽西沙扒海上風(fēng)電工程，該工程分為5期，1期裝機(jī)容量為300 MW，2、3、4、5期總裝機(jī)容量達(dá)1.4 GW，配置2座220 kV升壓站。可見，海上風(fēng)電建設(shè)規(guī)模和裝機(jī)容量大，周圍沒有電力負(fù)荷中心[11]，因此電能的長距離輸送是研究的主要方向。

目前主流的風(fēng)電輸送方式為高壓交流輸電(high voltage alternating current，HVAC)、電網(wǎng)換相型高壓直流輸電(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)和柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)，與陸上風(fēng)電輸送的不同在于采用海底電纜，而非架空電線。文獻(xiàn)[12]介紹了高壓交流輸電方式和柔性直流輸電方式存在的問題，對比了不同輸電方案的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性，研究表明，各類輸電方式選取主要取決于輸電距離，近海風(fēng)電場常采用高壓交流輸電，深遠(yuǎn)海風(fēng)電場則采用柔性直流輸電；文獻(xiàn)[13]介紹了適用于海上風(fēng)電的3種風(fēng)電輸送策略，總結(jié)了風(fēng)電輸送的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和研究成果，分析結(jié)果表明，柔性直流輸電可靠性和技術(shù)性更具優(yōu)勢，但實(shí)際輸電工程則需要考慮建設(shè)費(fèi)用與實(shí)際規(guī)模，柔性直流輸電更適用于遠(yuǎn)海、大規(guī)模的風(fēng)電場；文獻(xiàn)[14]介紹了應(yīng)用于深遠(yuǎn)海風(fēng)電場的分頻輸電方式，并且以400 MW海上風(fēng)電場為例進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明，分頻輸電方式可以提高電纜載流量，同時顯著降低電纜中的充電電流，提升經(jīng)濟(jì)性。目前應(yīng)用的海上風(fēng)電傳輸方式無法適用于所有的輸電場景，因此海上風(fēng)電場需要根據(jù)自身離岸距離、輸送容量制定合理且經(jīng)濟(jì)的輸送方式。

相比于利用電能形態(tài)傳輸，煤、天然氣等化學(xué)能源載體的穩(wěn)定性好，更加便于遠(yuǎn)距離傳輸，并且利用化學(xué)載體再發(fā)電可有效提高海上風(fēng)電的利用率。文獻(xiàn)[15]提出了一種海上大規(guī)模風(fēng)電非并網(wǎng)多元化應(yīng)用系統(tǒng)，將風(fēng)能直接應(yīng)用于海水、淡水等高載能產(chǎn)業(yè)，直接輸送產(chǎn)品上岸，該系統(tǒng)不僅解決風(fēng)電應(yīng)用難題，而且大幅節(jié)省了風(fēng)電場投資成本[16]；文獻(xiàn)[17]提出了一種海上風(fēng)電場耦合制氫系統(tǒng)，并且對該系統(tǒng)的成本進(jìn)行分析，最后以上海東海風(fēng)電場為例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益明顯，短期內(nèi)可收回成本；文獻(xiàn)[18]論述了風(fēng)能轉(zhuǎn)氫能可避免輸電能力不足導(dǎo)致的發(fā)電量下降，同時利用管道運(yùn)輸至陸地，投資成本可進(jìn)一步降低；文獻(xiàn)[19]提出了利用風(fēng)電等清潔能源就地制氫，并將氫氣與天然氣摻雜生成混氫天然氣，通過天然氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長距離傳輸，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了一種系統(tǒng)性的新思路。

針對海上風(fēng)電輸送困難的問題，提出了一種利用氫能代替風(fēng)電進(jìn)行遠(yuǎn)海電能輸送的策略，即通過電解制氫設(shè)備就地將風(fēng)電轉(zhuǎn)化為氫能，并利用輸氫管道輸送至陸地。介紹傳統(tǒng)輸電方式與輸氫方式的技術(shù)路線和應(yīng)用現(xiàn)狀，并以300 MW海上風(fēng)電場為例進(jìn)行分析，對比輸電方式與輸氫方式在經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性方面的差異，驗(yàn)證海上風(fēng)電制氫并進(jìn)行管道輸送的可行性。針對海上風(fēng)電電解制氫，分析目前在實(shí)際應(yīng)用中的困難與挑戰(zhàn)，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 傳統(tǒng)海上風(fēng)電輸送方式

不同能源在自然界都是可利用的，但從能源性質(zhì)角度看，風(fēng)能不像化石燃料一樣可以運(yùn)輸，這使得風(fēng)能等清潔能源通常以電能作為他們的能量載體。傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸電能的方式包括高壓交流輸電方式、基于晶閘管的高壓直流輸電方式、基于電壓源換流器技術(shù)的柔性直流輸電方式[20]。

高壓交流輸電方式是海上風(fēng)電場并網(wǎng)的常規(guī)方式，其結(jié)構(gòu)簡單，造價低，是目前輸電方式中最成熟的一種技術(shù)[21]。典型高壓交流輸電方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，目前輸電工程中的最大輸送容量可達(dá)200 MW/150 kV與350 MW/245 kV[22]。

高壓直流輸電方式采用無關(guān)斷能力的低頻晶閘管構(gòu)成的電流型換流器，并采用電網(wǎng)換相換流技術(shù)[23]。此方式因技術(shù)成熟、功耗小而被廣泛研究，但是由于連接弱網(wǎng)時易引發(fā)換相失敗，并可能加重系統(tǒng)諧波污染，限制了其應(yīng)用與發(fā)展。典型高壓直流輸電方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其中濾波裝置用來吸收換流站設(shè)備產(chǎn)生的諧波，并向換流站提供無功功率。

圖1 海上風(fēng)電送出方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology diagram of offshore wind power delivery method

柔性直流輸電方式是基于電壓源換流器(voltage source converter，VSC)技術(shù)和全控型功率器件的一種新型直流輸電技術(shù)，其核心為工作在500~2 000 Hz的全控型功率器件，通過脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術(shù)，輸出電壓可根據(jù)系統(tǒng)需要自動調(diào)節(jié)[24]。目前，世界上已有多個在建或建成的柔性直流輸電技術(shù)項(xiàng)目。典型柔性直流輸電方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1(c)所示[25]，該方式可控性強(qiáng)、對環(huán)境影響小，是國外大型遠(yuǎn)海輸電的主要并網(wǎng)技術(shù)。

2 海上風(fēng)電制氫輸送方式

電能的存儲和運(yùn)輸相比于化石燃料都更為困難，一個重要的方向是將這些不可控制的能源轉(zhuǎn)化為一種像化石燃料一樣易于存儲的化學(xué)能量載體，即“Power to X”[26-27]。氫氣是一種良好的化學(xué)能量載體，經(jīng)過燃燒或反應(yīng)后產(chǎn)生H2O，無CO2與其他污染物排放，是一種綠色無污染的清潔能源[28]。海上風(fēng)電可通過水電解制氫設(shè)備轉(zhuǎn)化為氫能，經(jīng)過很短的輸電線路將電能輸送至電解槽平臺，在電解槽中將處理后的海水電解后產(chǎn)生氫氣[29]。海上風(fēng)電耦合制氫具有以下優(yōu)勢：緩解棄風(fēng)困境，降低制氫成本，提高風(fēng)電的電能質(zhì)量和減小大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的沖擊。

2.1 電解制氫原理

傳統(tǒng)電解水設(shè)備包含電解槽、氫側(cè)系統(tǒng)、氧側(cè)系統(tǒng)、補(bǔ)給水系統(tǒng)、堿液系統(tǒng)，純水設(shè)備和氫氣、氧氣的存儲設(shè)備，以及相關(guān)的顯示儀表和控制系統(tǒng)。

電解槽是電解制氫的關(guān)鍵裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[30]。電解制氫的基本原理是對2個電極施加外壓，電流通過液體形成通路，電能的注入打破H2O內(nèi)部平衡，發(fā)生裂解，氫原子與氧原子進(jìn)行重組，最終產(chǎn)出H2和O2[31]。電解制氫的全過程可用以下反應(yīng)方程表示：

圖2 電解制氫原理圖Fig.2 Schematic diagram of electrolytic hydrogen production

電解產(chǎn)生的H2、O2連同部分溶液進(jìn)入氫氣、氧氣分離器，分離出的溶液經(jīng)過冷卻、過濾掉固體雜質(zhì)后重新返回電解槽，并隨時補(bǔ)充一定量的電解質(zhì)；分離出的氫氣經(jīng)過冷卻器冷卻降溫后，再經(jīng)過捕滴器去除夾帶的水分，最后輸送至存儲設(shè)備。

2.2 氫能運(yùn)輸方式

目前，主要海上運(yùn)輸氫氣的技術(shù)包括高壓氣態(tài)氫運(yùn)輸、低溫液態(tài)氫運(yùn)輸和經(jīng)過輸氫管道運(yùn)輸[32]。如圖3所示，海上風(fēng)電經(jīng)集電裝置匯入海上電解槽平臺，電解水產(chǎn)生氫氣后進(jìn)行液態(tài)或氣態(tài)存儲，最后經(jīng)輪船或管道輸送至陸地[18]。

圖3 海上輸氫技術(shù)路線圖Fig.3 Roadmap for offshore hydrogen delivery technology

1）高壓氣態(tài)輸氫技術(shù)

高壓氣態(tài)輸氫技術(shù)是將氫氣壓縮至70 MPa左右存入儲氫罐中，由海上交通工具運(yùn)輸至陸地。此方式是現(xiàn)在發(fā)展最成熟、應(yīng)用最多的儲氫輸氫技術(shù)，其操作難度小、能耗少、成本低，匹配氫能發(fā)展現(xiàn)狀。但是此種方式的缺點(diǎn)是單位體積容量低，儲氫量少，即使使用鈦瓶，氫氣重量僅占總重的5%左右。另外，高壓氣態(tài)輸氫技術(shù)的安全性較差，需要保證儲氫罐的密閉性。

2）低溫液態(tài)輸氫技術(shù)

低溫液態(tài)輸氫技術(shù)是將氫氣深冷到-253.0℃，存儲在特制的高真空絕熱容器中，由海上交通工具運(yùn)輸?shù)绞褂玫貐^(qū)。在常溫、常壓下，此方式的氫能密度為氣態(tài)氫氣的近千倍，體積容量比高壓氣態(tài)輸氫方式高好幾倍，但該方式存儲溫度與自然溫度相差巨大，需要配備極好的絕熱儲氫罐進(jìn)行隔熱，同時在運(yùn)輸過程中容易發(fā)生熱泄漏、自然揮發(fā)、耗能大等問題。低溫液態(tài)輸氫方式在國外應(yīng)用較多，在國內(nèi)僅在航天領(lǐng)域應(yīng)用。

3）管道輸氫

輸氫管道是氫氣進(jìn)行大規(guī)模、長距離輸送的理想選擇。氫氣長距離管道輸氫已有80多年的歷史，截至目前全球范圍內(nèi)氫氣管道總里程超4 600 km。美國、歐盟等發(fā)達(dá)國家對長距離管道建設(shè)與輸氫的技術(shù)已較為成熟，其中美國管道輸氫規(guī)模最大，總里程超2 700 km，最大運(yùn)行電壓達(dá)10.3 MPa。我國對于管道輸氫工程的建設(shè)較為滯后，現(xiàn)有氫氣輸送管道總里程僅為400 km，而且主要分布在長江三角洲與環(huán)渤海灣等地區(qū)。隨著能源改革的進(jìn)行，日益增長的氫能需求將有效推動我國氫氣管網(wǎng)的建設(shè)。

目前輸氫管道有2種方案：一種是直接建設(shè)新管道，大多采用低強(qiáng)度鋼材，輸送壓力有限，并且一次性投資大、審批困難和技術(shù)成熟度低，因此在短時間內(nèi)很難形成與風(fēng)電電量相當(dāng)?shù)妮斔鸵?guī)模；另一種是將氫氣摻混在天然氣中，利用現(xiàn)有成型的輸氣管道和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輸送，可作為氫能發(fā)展的過渡手段，提高管道輸氫的經(jīng)濟(jì)性，但輸氣管道內(nèi)的氫氣會作用于鋼材內(nèi)部，導(dǎo)致鋼材出現(xiàn)“氫脆”現(xiàn)象，威脅管道安全。目前研究表明，CO具有占據(jù)氫氣在內(nèi)表面的吸附位的特性，加入少量便可起到抑制氫脆的作用。綜上，目前可將天然氣管網(wǎng)作為氫氣大規(guī)模輸送的預(yù)備管道，進(jìn)而在完善天然氣管網(wǎng)時統(tǒng)籌兼顧輸氫管道，為以后氫能運(yùn)輸與發(fā)展提供技術(shù)保障。

3 各類能源輸送方式差異

對電能輸送方式及氫氣輸送方式的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行對比，包括各類能源輸送方式的分類、主要設(shè)備、運(yùn)輸通路成本、維護(hù)情況、海上平臺規(guī)模、最大傳輸容量、典型輸送距離等[32-35]，如表1所示。

表1 各類輸送方式性能指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of performance indicators of various conveying methods

3.1 輸送方式

電能相比于其他能源具備運(yùn)輸安全、轉(zhuǎn)換便利的優(yōu)勢。傳統(tǒng)風(fēng)能輸送方式為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能形式，通過輸電線路進(jìn)行傳輸。但是隨著“Power-to-X”的發(fā)展，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為氫氣等低碳?xì)怏w，進(jìn)而將燃料進(jìn)行傳輸成為一種新的傳輸方式。

3.2 主要設(shè)備及成本

高壓交流輸電系統(tǒng)主要由海上升壓站、無功補(bǔ)償設(shè)備等部件組成；高壓直流系統(tǒng)與柔性直流輸電大致相同，主要由海上升壓站、換流站等部件組成，區(qū)別在于換流站內(nèi)的電力電子設(shè)備不同，高壓直流輸電方式使用晶閘管整流，電流中會產(chǎn)生諧波，需要安裝濾波裝置。氫氣輸送方式都需要安裝電解水設(shè)備，將風(fēng)電轉(zhuǎn)化為氫能，其中高壓氣態(tài)輸氫方式需要利用高壓泵或氫氣壓縮機(jī)為氫氣加壓；低溫液態(tài)輸氫方式需要安裝氫氣液化機(jī)；管道輸氫方式則需要在管道處安裝高壓泵為氫氣增壓。

現(xiàn)對某300 MW海上風(fēng)電場電能轉(zhuǎn)換的必要設(shè)備成本進(jìn)行比較分析，即除去輸送部分的費(fèi)用后電力設(shè)備的投資成本[35-37]，如表2所示。電壓等級均取150 kV，電解水制氫裝置參考蘇州競立公司生產(chǎn)的電制氫設(shè)備。

表2 電力設(shè)備投資成本Tab.2 Investment cost of electric equipments萬元/MW

高壓交流輸電方式中僅對電能進(jìn)行升壓處理，頻率一直處于工頻可直接接入同電壓等級的陸上電網(wǎng)，因此變電站投資較少，相較于直流輸電方式少了約3/4。由于交流電能在輸送過程中會存在無功損耗，造成電壓下降，因此需要額外增加無功補(bǔ)償裝置，增加了設(shè)備的投資成本。在短距離電能傳輸中，無功補(bǔ)償裝置投資占比較小。隨著離岸距離增大，無功補(bǔ)償裝置成本大幅度增大，甚至?xí)^直流輸電方式。

高壓直流輸電方式中需要將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，此方式下需要安裝變流器、電容器等設(shè)備。同時，高壓直流輸電利用晶閘管進(jìn)行整流，晶閘管閥會在電路中產(chǎn)生諧波，需要大量濾波器進(jìn)行平抑，增加了初始投資。柔性直流輸電方式利用絕緣柵雙極型晶體管器件(insulated gate bipolar transistor，IGBT)進(jìn)行整流，主要設(shè)備投資比高壓直流輸電方式多，但無需安裝濾波器等附加設(shè)備，此方式使用自換相方式，避免了換相失敗、功率無法送出的狀況。

在輸氫方式中，電解水裝置的投資成本占主要部分，略高于高壓交流輸電方式而遠(yuǎn)低于2種直流輸電方式。附加設(shè)備的投資成本占比較小，3種輸氫方式成本基本相同。

3.3 運(yùn)輸通路及成本

電能輸送通路主要分為交流海底電纜與直流海底電纜，氫氣輸送通路主要分為輪船與輸氫管道。以下對相同容量下各類能源輸送距離與費(fèi)用進(jìn)行分析。

在輸送功率相同、可靠性一致的情況下，高壓交流輸電方式變電站投資明顯低于2種直流輸電方式，而隨著輸送距離的增加，高壓交流輸電方式投資成本大幅度上升。各類能源的運(yùn)輸費(fèi)用變化[32-38]如圖4所示，海上交、直流輸電方式之間存在等價距離，當(dāng)輸送距離超過等價距離時，高壓交流輸電方式相對不經(jīng)濟(jì)。2種直流輸電線路方式中換流站的投資成本偏高，但是由于線路投資成本較小，長距離功率輸送更具經(jīng)濟(jì)性。另外，在直流輸送方式下，每回線路可減少1根海底電纜，安裝難度與安裝費(fèi)用都低于交流電纜。此外，部分電能輸送工程還使用架空線路，但是其進(jìn)行電能傳輸時需架設(shè)桿塔，桿塔成本高，施工難度大，同時線路暴露在空氣中，易遭受雷擊和污染的影響。

圖4 各類能源的運(yùn)輸費(fèi)用變化圖Fig.4 Graph of the change in transportation costs for each type of energy

氫氣輸送方式單次容量大、運(yùn)輸容易，運(yùn)輸成本比輸電方式低。高壓氣態(tài)輸氫方式的百千米氫氣輸送成本為2.02元/kg，此方式需要密閉性良好的儲氫罐，靈活性高且成本低于液態(tài)輸送，但是由于氣態(tài)氫的密度降低，因此在相同重量下所占體積大，需要大容量的輪船運(yùn)輸，一定程度上增加了運(yùn)輸成本；低溫液態(tài)輸氫方式的百千米氫氣輸送成本為12.25元/kg，此方式的儲氫罐需要保溫操作，這使得其運(yùn)輸成本相對較高，但是其單次輸送氫氣量超過高壓氣態(tài)輸送的11倍，運(yùn)輸成本隨運(yùn)輸距離增加而基本保持穩(wěn)定。管道輸氫方式中管道成本較小，在大體量、長距離氫氣運(yùn)輸中經(jīng)濟(jì)性更高，目前其百千米運(yùn)輸成本為0.3元/kg。部分研究者[39]提出，借助成熟的海底輸氣管道運(yùn)輸天然氣與氫氣的混合物也是一種降低管道初期建設(shè)成本的方案。

3.4 海上平臺規(guī)模

高壓交流輸電方式結(jié)構(gòu)簡單、變電設(shè)備少，海上平臺規(guī)模最小，平臺建設(shè)費(fèi)用偏低；高壓直流輸電方式需要安裝濾波裝置，增大了海上平臺的施工量與復(fù)雜度，占地面積最大，建設(shè)費(fèi)用偏高；柔性直流輸電方式的配套裝置結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化，相比于高壓直流輸電系統(tǒng)的海上平臺面積較小，并且不需要濾波裝置，建設(shè)海上平臺費(fèi)用相對較低。

3種輸氫方式僅需為電解制氫裝置建設(shè)海上平臺，建設(shè)的海上平臺面積小、費(fèi)用低。在工程應(yīng)用前期，利用海上風(fēng)電機(jī)組平臺或海上石油平臺進(jìn)行電解制氫，可以減少前期海上平臺的建設(shè)費(fèi)用。

3.5 輸送容量及輸送距離

海上風(fēng)電跨海輸電線路一般為電纜，電纜中三相線路排列緊密，相對架空線路而言線路的電抗降低、電容增加，若使用傳統(tǒng)的高壓交流并網(wǎng)，線路中將流過較大的容性電流，導(dǎo)致線損增加并堵塞線路容量。由于上述原因，高壓交流輸電方式的傳輸距離一般為離岸100 km以內(nèi)，輸送容量一般小于800 MW。常規(guī)高壓直流輸電方式可以有效地避免容性電流的影響，滿足大容量、遠(yuǎn)距離的電能傳輸，傳輸距離一般為離岸100 km以上，輸送容量一般為1 200 MW。柔性直流輸電方式受換電站技術(shù)限制，輸送容量小于常規(guī)高壓直流輸電方式，一般適用于300~1 000 MW的遠(yuǎn)海風(fēng)電場。圖5為各類輸電方式與容量、距離關(guān)系[22]。

圖5 輸電方式與容量、距離關(guān)系Fig.5 Graph of transmission mode versus capacity and distance

氫氣輸送方式的傳輸容量主要受電解水裝置容量的影響，同時因?yàn)闅錃獾幕瘜W(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，可適應(yīng)較遠(yuǎn)距離的能源傳輸。高壓氣態(tài)輸氫方式下氫能密度小，限制了氫氣的傳輸容量，常規(guī)輪船傳輸容量為460 kg/次。低溫液態(tài)輸氫方式下氫能密度大，可實(shí)現(xiàn)大容量傳輸，輪船傳輸容量為170 t/次。管道輸氫方式的輸送容量與海底管道的材料、直徑相關(guān)，一般為11 t/h。在鋪設(shè)海底管道時要考慮海底地貌情況與輸送壓力，目前設(shè)計(jì)的輸氫管道大多為40 km，但是隨著氫能輸送方式不斷應(yīng)用于海上風(fēng)電傳輸，海底輸氫管道將實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海能源傳輸。

3.6 工程應(yīng)用情況

高壓交流輸電方式技術(shù)成熟，適合近海風(fēng)電場的電能傳輸，目前應(yīng)用于中國大部分海上風(fēng)電場。高壓直流輸電方式因?yàn)閾Q流站成本較高，并且存在諧波污染，目前沒有建成的輸電示范工程。柔性直流輸電方式技術(shù)性高，不僅免受無功影響，而且不產(chǎn)生諧波污染，成為目前較先進(jìn)的傳輸技術(shù)，主要應(yīng)用于歐洲的遠(yuǎn)海風(fēng)電場。

高壓氣態(tài)輸氫方式適用于小容量、短時間的運(yùn)輸，目前沒有建成的示范工程。低溫液態(tài)輸氫方式適合遠(yuǎn)距離傳輸，目前在航天領(lǐng)域應(yīng)用較多。管道輸氫方式適用于大容量、長時間、點(diǎn)對點(diǎn)的氫能傳輸，且與中國西電東送、西氣東輸工程類似，都屬于國家重大能源戰(zhàn)略，未來將撐起中國能源的骨干體系。管道輸氫方式建設(shè)成本較低，是現(xiàn)有化工氫的主要運(yùn)輸方式，輸氫量在50 000 m3/h以上，經(jīng)濟(jì)性良好。目前美國有超1 400 km的輸氫管道，歐洲配備有大約1 500 km的低壓輸氫管道。表3列舉了國內(nèi)典型的大型氣體輸送管道工程，最長的輸氫管道為巴陵石化氫氣長輸管道，全長43 km，具有輸送5萬t氫氣的容量[40-41]。

表3 大型氣體輸送管道概況Tab.3 Overview of large gas transmission pipelines

4 海上風(fēng)電制氫應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

海上風(fēng)電資源可以與制氫產(chǎn)業(yè)進(jìn)行結(jié)合，將豐富的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的氫能，拓寬海上風(fēng)電應(yīng)用與發(fā)展的途徑。在現(xiàn)存技術(shù)下，海上風(fēng)電耦合制氫具有以下優(yōu)勢：實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電就地消納，降低電能的輸送成本，減少大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響；增加氫能資源儲量，減少煤、石油、天然氣等碳基能源的使用，實(shí)現(xiàn)能源清潔化發(fā)展；增加氫能發(fā)電容量，提高電力系統(tǒng)中清潔性靈活調(diào)節(jié)資源，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時，海上制氫模式也需要一套完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和示范工程，然后對制氫設(shè)備的運(yùn)行策略等方向進(jìn)行研究并形成產(chǎn)業(yè)化。

4.1 促進(jìn)海上風(fēng)電消納

海上風(fēng)電呈現(xiàn)隨機(jī)性與不確定性，輸出功率在額定功率范圍內(nèi)隨機(jī)變化，并且部分機(jī)組受海水波動影響，不確定性更加嚴(yán)重，如果直接接入電網(wǎng)會造成電壓和頻率失穩(wěn)，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在西部風(fēng)電場常采用風(fēng)火打捆特高壓外送方案，但是海上平臺缺少可利用的火電機(jī)組，并且未來火電比例不斷下降，該方案不適合應(yīng)用于海上風(fēng)電機(jī)組輸送電能。

海上風(fēng)電制氫產(chǎn)業(yè)中，電解水設(shè)備可通過改變自身的運(yùn)行狀態(tài)適應(yīng)海上風(fēng)電的隨機(jī)性與波動性。將海上風(fēng)電與制氫產(chǎn)業(yè)結(jié)合，風(fēng)電機(jī)組輸出功率全額輸送至制氫點(diǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為氫能輸送至陸地，此方案一方面可降低長距離輸送線路的成本，減少工程初期投資；另一方面可以減少調(diào)峰資源的需求量，降低海上風(fēng)電并網(wǎng)的不穩(wěn)定性，提高利用小時數(shù)。

4.2 實(shí)現(xiàn)氫能清潔化發(fā)展

現(xiàn)階段能源主體是以傳統(tǒng)碳基為基礎(chǔ)的化石能源，其燃燒后會產(chǎn)生大量CO2，加劇氣候變暖危機(jī)。相比于碳基能源，氫能燃燒只產(chǎn)生水，是一種高密度、清潔的二次能源載體，可以一次性獲得并長期存儲，被認(rèn)為是一種可以同時解決能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)的最佳資源。2019年，《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》指出，到2050年，氫能在能源終端的占比達(dá)10%，成為終端能源消費(fèi)主體之一[4]。

目前，全球主要制氫技術(shù)為化石燃料制氫(灰氫)，由于制取灰氫排放大量CO2，因此需要新的制氫方案進(jìn)行替代；另一種方法是將傳統(tǒng)制氫方式與碳捕獲技術(shù)結(jié)合(藍(lán)氫)來減少CO2排放。如果利用海上豐富的風(fēng)力資源與水資源制取氫氣(綠氫)，將會避免溫室氣體排放，實(shí)現(xiàn)能源的清潔發(fā)展，并且減少生產(chǎn)氫氣過程的能耗成本，提高氫能產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

4.3 提高系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力

氫能在電力系統(tǒng)中主要應(yīng)用于燃料電池，以氫為燃料，通過氧化還原反應(yīng)完成氫?電能源轉(zhuǎn)換。氫燃料電池具有效率高、無噪聲、零碳排放等優(yōu)點(diǎn)，一般為容量小于30 MW的發(fā)電機(jī)組。氫燃料電池的啟動速度快，功率調(diào)節(jié)范圍寬，可以為電網(wǎng)提供調(diào)頻、削峰填谷等服務(wù)。氫燃料電池發(fā)電站可實(shí)現(xiàn)模塊化發(fā)展，能適應(yīng)多種環(huán)境并可持續(xù)運(yùn)行，還可以作為孤島電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組提供電能，保證孤島電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。另外，氫氣可與天然氣進(jìn)行摻雜，作為燃?xì)鈾C(jī)組的燃料，在保證電力輸出與調(diào)節(jié)能力的前提下降低碳基燃料的消耗。

4.4 海上風(fēng)電制氫技術(shù)挑戰(zhàn)

我國海上風(fēng)電能為制氫提供廣泛的電力來源，但是海洋氫能發(fā)展仍處于探索階段，缺乏國家級海上綠氫開發(fā)平臺和示范工程的建設(shè)。同時需要對管道輸氫過程制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前我國運(yùn)行的輸氫管道基本按照輸油氣管道的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，但是氫氣的化學(xué)特性不同于天然氣，執(zhí)行其他氣體的標(biāo)準(zhǔn)易出現(xiàn)安全事故，所以大力發(fā)展海洋氫能必須構(gòu)建一套針對管道輸氫的規(guī)范體系，保證輸氫過程的安全性。

在海洋氫能發(fā)展中，還需考慮海上風(fēng)電波動對于制氫設(shè)備的影響，頻繁的風(fēng)電波動會影響設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，增加設(shè)備的維護(hù)成本，影響氫氣的純度，帶來安全風(fēng)險。因此，針對制氫過程中電力波動的問題，需要對海上風(fēng)電制氫系統(tǒng)的運(yùn)行策略和優(yōu)化進(jìn)行研究，降低維護(hù)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

5 結(jié)論

1）目前海上輸電工程采用電能輸送方式，建設(shè)海底電纜將能源輸送至大陸。不同的示范工程需要對不同方案進(jìn)行評估并選擇合理的方案，一般的策略為近海風(fēng)電場采用高壓交流輸電方式，遠(yuǎn)海風(fēng)電場采用柔性直流輸電方式。

2）管道輸氫方式適用于近、遠(yuǎn)海風(fēng)電場，采取該方式輸送能源可以減少對輸電線路的投資成本，并且可以利用現(xiàn)存的天然氣管道進(jìn)行輸送，進(jìn)一步縮短工程投資回報(bào)期。通過管道運(yùn)輸可以避免線路的容量限制，提高海上風(fēng)電的裝機(jī)容量。

3）提供了一種新的制氫思路，一方面能夠消納大規(guī)模風(fēng)電容量，緩解清潔能源并網(wǎng)帶來的不穩(wěn)定性，另一方面增加了“綠氫”比例，提升氫基能源在工業(yè)能源中的比例，降低了CO2的排放，實(shí)現(xiàn)能源清潔化發(fā)展。

海上風(fēng)電制氫能夠改善遠(yuǎn)距離輸電與風(fēng)電消納的困境，并能促進(jìn)“綠氫”的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)。未來還需要建立海上制氫示范平臺，制定制氫輸氫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。