海上风电制氢技术发展现状与建议

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22032

摘要/Abstract

摘要：

可再生能源制氢是达成碳达峰目标、实现碳中和愿景的重要路径。海上风电制氢作为可再生能源制氢的重要组成部分，具有巨大的市场潜力和广阔的发展前景。首先，介绍了2种不同的海上风电制氢系统方案；其次，阐述了适用于海上风电应用场景的电解水制氢技术和氢储运技术，梳理了国际海上风电制氢典型项目和我国海上风电制氢产业布局；最后，从氢能顶层设计、海上风电制氢技术攻关和标准体系建设等方面提出发展建议，为我国海上风电制氢技术创新和高质量发展提供参考。

关键词: 海上风电, 氢能, 可再生能源, 绿氢, 电解水制氢

Abstract:

Hydrogen production by renewable energy is an inevitable path to achieve the goal of carbon peak and realize the vision of carbon neutralization. As an important part of green hydrogen, hydrogen production by offshore wind power has huge market potential and broad development prospects. Firstly, two different schemes of hydrogen production system by offshore wind power were described. Then, the hydrogen production technologies by water electrolysis and hydrogen storage and transportation technologies suitable for offshore wind scenarios were stated. The typical international hydrogen production projects by offshore wind power and the layout of China’s hydrogen production industry by offshore wind power were untangled. Finally, the development suggestions were put forward from the aspects of top-level design, tackling key technologies and standard system construction, so as to provide reference for the technological innovation and high-quality development of offshore wind power hydrogen production in China.

Key words: offshore wind power, hydrogen energy, renewable energy, green hydrogen, hydrogen production by water electrolysis

中图分类号:

TK 89

李雪临, 袁凌. 海上风电制氢技术发展现状与建议[J]. 发电技术, 2022, 43(2): 198-206.

Xuelin LI, Ling YUAN. Development Status and Suggestions of Hydrogen Production Technology by Offshore Wind Power[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(2): 198-206.

图/表 3

图1 陆上电解水制氢方案

Fig. 1 Hydrogen production scheme by onshore water electrolysis

图2 海上集中式电解水制氢方案

Fig. 2 Centralized hydrogen production scheme by offshore water electrolysis

图3 海上分布式电解水制氢方案

Fig. 3 Distributed hydrogen production scheme by offshore water electrolysis

参考文献 48

1	杨浩．氢在能源转型变革中的潜在优势分析[J]．分布式能源，2020，5(3)：47-54．
	YANG H ．Potential advantages of hydrogen in transformation of energy resources[J]．Distributed Energy，2020，5(3)：47-54．
2	姜红丽，刘羽茜，冯一铭，等．碳达峰、碳中和背景下“十四五”时期发电技术趋势分析[J]．发电技术，2022，43(1)：54-64． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21030
	JIANG H L， LIU Y X， FENG Y M，et al ．Analysis of power generation technology trend in 14th five-year plan under the background of carbon peak and carbon neutrality[J]．Power Generation Technology，2022，43(1)：54-64． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21030
3	李健强，余光正，汤波，等．考虑风光利用率和含氢能流的多能流综合能源系统规划[J]．电力系统保护与控制，2021，49(14)：11-20．
	LI J Q， YU G Z， TANG B，et al ．Multi-energy flow integrated energy system planning considering wind and solar utilization and containing hydrogen energy flow[J]．Power System Protection and Control，2021，49(14)：11-20．
4	干勇．21世纪将是氢能时代[J]．中国石油企业，2021(3)：10-12． doi:10.3969/j.issn.1672-4267.2021.03.003
	GAN Y ．The 21st century will be the era of hydrogen energy[J]．China Petroleum Enterprise，2021(3)： 10-12． doi:10.3969/j.issn.1672-4267.2021.03.003
5	王林，曹宇．国外氢能源利用情况及对我国发展的启示[J]．上海节能，2021(5)：444-448．
	WANG L， CAO Y ．Utilization of hydrogen energy and its enlightenment to China’s development[J]．Shanghai Energy Conservation，2021(5)：444-448．
6	International Renewable Energy Agency ．Hydrogen from renewable power：technology outlook for the energy transition[R]．Abu Dhabi：International Renewable Energy Agency，2018． doi:10.1007/978-3-319-69844-1
7	朱凯，张艳红．“双碳”形势下电力行业氢能应用研究[J]．发电技术，2022，43(1)：65-72． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21098
	ZHU K， ZHANG Y H ．Research on application of hydrogen in power industry under “double carbon” circumstance[J]．Power Generation Technology，2022，43(1)：65-72． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21098
8	雷超，李韬．碳中和背景下氢能利用关键技术及发展现状[J]．发电技术，2021，42(2)：207-217． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20015
	LEI C， LI T ． Key Technologies and development status of hydrogen energy utilization under the background of carbon neutrality[J]．Power Generation Technology，2021，42(2)：207-217． doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.20015
9	中国氢能联盟．中国氢能源及燃料电池产业白皮书 2020[R]．北京：中国氢能联盟，2020． doi:10.1016/s1464-2859(20)30090-0
	National Alliance of Hydrogen and Fuel Cell ．White paper on China’s hydrogen energy and fuel cell industry 2020[R]．Beijing：National Alliance of Hydrogen and Fuel Cell，2020． doi:10.1016/s1464-2859(20)30090-0
10	Council Hydrogen， Company McKinsey ．Hydrogen insights：a perspective on hydrogen investment，market development and cost competitiveness[R]．Brussels：Hydrogen Council，2021．
11	刘吉臻，马利飞，王庆华，等．海上风电支撑我国能源转型发展的思考[J]．中国工程科学，2021，23(1)：149-159． doi:10.15302/J-SSCAE-2021.01.021
	LIU J Z， MA L F， WANG Q H，et al ．Offshore wind power supports China’s energy transition[J]．Strategic Study of CAE，2021，23(1)：149-159． doi:10.15302/J-SSCAE-2021.01.021
12	CRIVELLARI A， COZZANI V ．Offshore renewable energy exploitation strategies in remote areas by power-to-gas and power-to-liquid conversion[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2020，45：2936-2953． doi:10.1016/j.ijhydene.2019.11.215
13	CALADO G， RUI C ．Hydrogen production from offshore wind parks：current situation and future perspectives[J]． Applied Sciences，2021，11(12)：5561． doi:10.3390/app11125561
14	NEGRA N B， TODOROVIC J， ACKERMANN T ．Loss evaluation of HVAC and HVDC transmission solutions for large offshore wind farms[J]．Electric Power Systems Research，2006，76：916-927． doi:10.1016/j.epsr.2005.11.004
15	PAPADOPOULOS A， RODRIGUES S， KONTOS E，et al ．Collection and transmission losses of offshore wind farms for optimization purposes[C]//Proceedings of the 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition．Montreal，Canada：IEEE，2015：6724-6732． doi:10.1109/ecce.2015.7310601
16	MIAO B， GIORDANO L， CHAN S H ．Long-distance renewable hydrogen transmission via cables and pipelines[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2021，46(36)：18699-18718． doi:10.1016/j.ijhydene.2021.03.067
17	FRANCO B A， BAPTISTA P， RUI C N，et al ．Assessment of offloading pathways for wind-powered offshore hydrogen production：Energy and economic analysis[J]．Applied Energy，2021，286(21)：116553． doi:10.1016/j.apenergy.2021.116553
18	BABARIT A， GILLOTEAUX J C， CLODIC G E，et al ．Techno-economic feasibility of fleets of far offshore hydrogen-producing wind energy converters[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2018，43(15)：7266-7289． doi:10.1016/j.ijhydene.2018.02.144
19	ASGHARI E， ABDULLAH M I， FOROUGHI F，et al ．Advance，opportunities，and challenges of hydrogen and oxygen production from seawater electrolysis：an electrocatalysis perspective[J]．Electrochemistry，2022，31：100879． doi:10.1016/j.coelec.2021.100879
20	LIU Z， HAN B B， LU Z Y，et al ．Efficiency and stability of hydrogen production from seawater using solid oxide electrolysis cells[J]．Applied Energy，2021，300：117439． doi:10.1016/j.apenergy.2021.117439
21	徐硕，余碧莹．中国氢能技术发展现状与未来展望[J]．北京理工大学学报(社会科学版)，2021，23(6)：1-12．
	XU S， YU B Y ．Current development and prospect of hydrogen energy technology in China[J]．Journal of Beijing Institute of Technology (Social Sciences Edition)，2021，23(6)：1-12．
22	孙鹤旭，李争，陈爱兵，等．风电制氢技术现状及发展趋势[J]．电工技术学报，2019，34(19)：4071-4083．
	SUN H X， LI Z， CHEN A B，et al ．Current status and development trend of hydrogen production technology by wind power[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2019，34(19)：4071-4083．
23	俞红梅，邵志刚，侯明，等．电解水制氢技术研究进展与发展建议[J]．中国工程科学，2021，23(2)：146-152． doi:10.15302/j-sscae-2021.02.020
	YU H M， SHAO Z G， HOU M，et al ．Hydrogen production by water electrolysis：progress and suggestions[J]．Strategic Study of CAE，2021，23(2)：146-152． doi:10.15302/j-sscae-2021.02.020
24	LIU Y P， LIANG X， CHEN H，et al ．Iridium-containing water-oxidation catalysts in acidic electrolyte[J]．Chinese Journal of Catalysis，2021，42(7)：1054-1077． doi:10.1016/s1872-2067(20)63722-6
25	范芷萱，俞红梅，姜广，等．PEM水电解池低成本阳极钛纤维毡扩散层研究[J]．电源技术，2020，44(7)：933-936． doi:10.3969/j.issn.1002-087X.2020.07.001
	FAN Z X， YU H M， JIANG G，et al ．A low-cost Ti felt anode gas diffusion layer for PEM water electrolysis[J]．Chinese Journal of Power Sources，2020，44(7)：933-936． doi:10.3969/j.issn.1002-087X.2020.07.001
26	TAJUDDIN A A H， ELUMALAI G， XI Z，et al ．Corrosion-resistant non-noble metal electrodes for PEM-type water electrolyzer[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2021，46：38603-38611． doi:10.1016/j.ijhydene.2021.09.116
27	郭秀盈，李先明，许壮，等．可再生能源电解制氢成本分析[J]．储能科学与技术，2020，9(3)：688-695．
	GUO X Y， LI X M， XU Z，et al ．Cost analysis of hydrogen production by electrolysis of renewable energy[J]．Energy Storage Science and Technology，2020，9(3)：688-695．
28	LUCAS T R， FERREIR A F， PEREIRA R，et al ．Hydrogen production from the wind float Atlantic offshore wind farm：a techno-economic analysis[J]．Applied Energy，2022，310：118481．
29	D’AMORE-DOMENECH R， SANTIAGO O， LEO T J ．Multicriteria analysis of seawater electrolysis technologies for green hydrogen production at sea[J]．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2020，133：110166． doi:10.1016/j.rser.2020.110166
30	HIRSCHER M， YARTYS V A， BARICCO M，et al ．Materials for hydrogen-based energy storage-past, recent progress and future outlook[J]．Journal of Alloys and Compounds，2020，827：153548． doi:10.1016/j.jallcom.2019.153548
31	BARTHELEMY H， WEBER M， BARBIER F ．Hydrogen storage：recent improvements and industrial perspectives[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2016，42(11)：7254-7262． doi:10.1016/j.ijhydene.2016.03.178
32	AZEEM M， YA H H， ALAM M A，et al ．Application of filament winding technology in composite pressure vessels and challenges：a review[J]．Journal of Energy Storage，2022，49：103468． doi:10.1016/j.est.2021.103468
33	ABDALLA A M， HOSSAIN S， NISFINDY O B，et al ．Hydrogen production，storage，transportation and key challenges with applications：a review[J]．Energy Conversion and Management，2018，165：602-627． doi:10.1016/j.enconman.2018.03.088
34	MORADI R， GROTH K M ．Hydrogen storage and delivery：review of the state of the art technologies and risk and reliability analysis[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2019，44(23)：12254-12269． doi:10.1016/j.ijhydene.2019.03.041
35	MUHAMMED N S，HAQ B， SHEHRI D A，et al ．A review on underground hydrogen storage：insight into geological sites，influencing factors and future outlook[J]．Energy Reports，2022，8：461-499．
36	ELBERRY A M， THAKUR J， SANTASALO-AARNIO A，et al ． Large-scale compressed hydrogen storage as part of renewable electricity storage systems[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2021，46：15671-15609． doi:10.1016/j.ijhydene.2021.02.080
37	ANDERSSON J， GRÖNKVIST S ．Large-scale storage of hydrogen[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2019，44(23)：11901-11919． doi:10.1016/j.ijhydene.2019.03.063
38	BONACINA C N， GASKARE N B， VALENTI G ．Assessment of offshore liquid hydrogen production from wind power for ship refueling[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2022(47)：1279-1291． doi:10.1016/j.ijhydene.2021.10.043
39	赵延兴，公茂琼，周远．气相低温高压储氢密度和能耗的理论分析及比较[J]．科学通报，2019，64(25)：2654-2660． doi:10.1360/n972018-01075
	ZHAO Y X， GONG M Q， ZHOU Y ．The storage of hydrogen based on low-temperature and high-pressure method[J]．Chinese Science Bulletin，2019，64(25)：2654-2660． doi:10.1360/n972018-01075
40	FAYE O， SZPUNAR J， EDUOK U ．A critical review on the current technologies for the generation, storage, and transportation of hydrogen[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2022(47)：13771-13802． doi:10.1016/j.ijhydene.2022.02.112
41	LU H T， LI W， MIANDOAB E S，et al ．The opportunity of membrane technology for hydrogen purification in the power to hydrogen (P2H) roadmap：a review[J]．Frontiers of Chemical Science and Engineering，2021，15(3)：464-482． doi:10.1007/s11705-020-1983-0
42	LIEMBERGER W， HALMSCHLAGER D， MILTNER M，et al ．Efficient extraction of hydrogen transported as co-stream in the natural gas grid：the importance of process design[J]．Applied Energy，2019，233/234：747-763． doi:10.1016/j.apenergy.2018.10.047
43	LEE J， ZHAO F ．Global offshore wind report 2021[R]．Brussels：Global Wind Energy Council，2021．
44	孙一琳．海上风电+制氢，Gigastack项目进展如何?[J]．风能，2020(3)：48-50．
	SUN Y L ．Offshore wind power + hydrogen production：how is the Gigastack project going?[J]．Wind Energy，2020(3)：48-50．
45	吴瑾，焦文强，田倩，等．海洋氢能发展现状综述[J]．科技风，2021(19)：129-131．
	WU J， JIAO W Q， TIAN Q，et al ．Review on the development of marine hydrogen energy[J]．Technology Wind，2021(19)：129-131．
46	WU Y N， LIU F T， WU J H，et al ．Barrier identification and analysis framework to the development of offshore wind-to-hydrogen projects[J]．Energy，2022，239：122077． doi:10.1016/j.energy.2021.122077
47	张长令．国外氢能产业导向、进展及我国氢能产业发展的思考[J]．中国发展观察，2020(1)：116-119． doi:10.3969/j.issn.1673-033X.2020.01.029
	ZHANG C L ．The orientation and progress of hydrogen energy industry abroad and thoughts on the development of hydrogen energy industry in China[J]．China Development Observation，2020(1)：116-119． doi:10.3969/j.issn.1673-033X.2020.01.029
48	张丽，陈硕翼．风电制氢技术国内外发展现状及对策建议[J]．科技中国，2020(1)：13-16．
	ZHANG L， CHEN S Y ．Development status and countermeasures of hydrogen production technology by wind power at home and abroad[J]．Science and Technology in China，2020(1)：13-16．

[1]	樊昂, 李录平, 刘瑞, 欧阳敏南, 陈尚年. 不同风速对单桩式海上风电机组塔筒动态特性的影响[J]. 发电技术, 2024, 45(2): 312-322.
[2]	严新荣, 张宁宁, 马奎超, 魏超, 杨帅, 潘彬彬. 我国海上风电发展现状与趋势综述[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 1-12.
[3]	许帅, 杨羽霏, 刚傲, 谢越韬, 张晓明, 刘功鹏. 中欧漂浮式海上风电关键技术与产业链合作路径研究[J]. 发电技术, 2024, 45(1): 13-23.
[4]	彭道刚, 税纪钧, 王丹豪, 赵慧荣. “双碳”背景下虚拟电厂研究综述[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 602-615.
[5]	张宁, 朱昊, 杨凌霄, 胡存刚. 考虑可再生能源消纳的多能互补虚拟电厂优化调度策略[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 625-633.
[6]	孙财新, 张波, 唐巍, 周昳鸣, 付明志, 秦猛, 郭小江. 海上风电机组国产化研究与实践[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 696-702.
[7]	贾文虎, 徐群杰. 海上风电设施防腐蚀技术研究进展[J]. 发电技术, 2023, 44(5): 703-711.
[8]	曹冬惠, 杜冬梅, 何青. 氢储能安全及其检测技术综述[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 431-442.
[9]	孔令国, 宫健, 杨士慧, 倪德富, 王士博, 刘闯. DC/DC隔离型制氢电源发展现状与趋势[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 443-451.
[10]	宋天琦, 马韵婷, 张智慧. 光伏耦合电解水制氢系统作为虚拟电厂资源的运行模式与经济性分析[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 465-472.
[11]	兰宇, 龙妍, 张哲豪, 阮金港. 可再生能源制氢跨省供应的技术经济可行性研究[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 473-483.
[12]	许洪华, 邵桂萍, 鄂春良, 郭金东. 我国未来能源系统及能源转型现实路径研究[J]. 发电技术, 2023, 44(4): 484-491.
[13]	李建林, 邵晨曦, 张则栋, 梁忠豪, 曾飞. 氢能产业政策及商业化模式分析[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 287-295.
[14]	陈逸文, 赵晋斌, 李军舟, 毛玲, 屈克庆, 魏国庆. 电力低碳转型背景下氢储能的挑战与展望[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 296-304.
[15]	张春雁, 窦真兰, 王俊, 朱亮亮, 孙晓彤, 李根蒂. 电解水制氢-储氢-供氢在电力系统中的发展路线[J]. 发电技术, 2023, 44(3): 305-317.