（来源：太阳能杂志）
DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20240531.02 文章编号：1003-0417(2025)06-13-10
海上风电制氢工艺系统及关键装备的研究现状及展望
陶安* ，贾献林，张磊，张帆
( 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州311122)
摘 要：在中国“双碳”目标的大背景下，如何扭转能源短板现状并实现储能结构升级成为重要课题。氢能是全球能源转型的重大战略方向之一，海上风电制氢是将海上风电与电解水制氢相结合的一种创新且可持续的制氢方法，海上风力资源丰富、具有可持续性，且风电技术清洁、环保，适合作为海上电解水制氢的能源来源。系统性地对目前海上风电制氢的工艺系统及关键装备进行了梳理，首先介绍了海上风电制氢的核心工艺，包括风电系统和制氢系统耦合工艺，以及电解海水制氢工艺；然后，分析了风力发电、电解水制氢、海水淡化、氢气纯化、氢的储存和运输这 5 大基本工艺流程，以及重要的系统冷却工艺流程，并对海上风电制氢的未来发展进行了展望。以期为海上风电制氢领域的研究和应用提供参考。
关键词：海上风电制氢；电解水制氢；海水淡化；风电；工艺流程；关键装备
中图分类号：TM614/TK91/TQ116.2+1 文献标志码：A
当今全球正面临一系列严峻的能源挑战。随着全球人口增长和经济发展，能源需求不断攀升。然而现有的能源结构主要依赖于化石燃料，其不仅储备有限，还会对环境造成严重污染。在此背景下，全球范围内迫切需要寻找清洁、可持续且安全的能源解决方案，以应对未来的能源需求和环境挑战。
在寻求可持续能源解决方案的过程中，氢能作为一种极具前景的替代能源逐渐引起了广泛关注[1]。氢是地球上最丰富的元素之一，作为燃料使用时，其只产生水这种产物，因此氢能是非常清洁的能源。氢能的多功能性使其在交通、发电和工业等多个领域中都具有应用潜力。氢能在减少碳排放和降低对化石燃料依赖方面的巨大潜力，正在推动其发展和投资的显著增长。
电解水制氢技术是目前制取氢气的主要方式之一，其通过电解水将水分解为氢气和氧气[2]。该技术具有显著优势，比如：制取的氢气纯度高，适用于各种应用场景；生产过程简单；电解水制氢设备可以根据需求灵活调整生产规模。近年来，随着电解技术的进步和可再生能源利用成本的下降，电解水制氢的经济性和可行性显著提升，成为推动氢能发展的重要途径。
若电解水制氢过程中的电力采用可再生能源发电，就可以实现零碳排放。将海上风电与电解水制氢相结合的海上风电制氢是一种创新且可持续的制氢方法。海上风电是利用海洋上的风力进行发电，其发电效率高于陆上风电；通过在海上风电场附近建立电解设施，可以直接利用海上风电进行电解水制氢。海上风电制氢的应用前景广阔[3]，首先，其实现了电力的就地清纳，有助于解决海上风电场远离用电中心的输电问题[4]，可以通过制氢将能源以更灵活的形式进行运输和储存；其次，其有助于推动海洋经济的发展；第三，其有助于促进全球能源结构的转型，减少对化石燃料的依赖，实现绿色低碳的发展目标。
基于此，本文从海上风电制氢的核心工艺、工艺流程、关键装备3 个方面，对目前海上风电制氢的工艺系统及关键装备的研究现状进行梳理，并对海上风电制氢的未来发展进行展望。
1 核心工艺
海上风电制氢的核心工艺包括风电系统和制氢系统的耦合工艺，以及电解海水制氢工艺。本部分内容重点对风电系统和制氢系统耦合工艺中的分布式风电制氢方案和集中式风电制氢方案的工艺路线，以及电解海水制氢工艺中的直接海水电解制氢方案和海水淡化后电解制氢方案的工艺路线差异和优劣势进行阐述。
1.1 风电系统和制氢系统耦合工艺
海上风力资源相对丰富、风能密度大，具有可持续性，并且风电具有清洁、环保的优点，针对海上电解水制氢这类离网系统，海上风电能够保证系统能量的持续输出，因此，海上风电适合作为大型海上电解水制氢的能量来源。现有的海上风电制氢系统中风电系统和制氢系统的耦合工艺主要包括以下2 种方案：
1) 分散式风电制氢方案，即1 台风电机组耦合1 个电解槽形成1 个风电制氢模组，然后将所有模组制得的氢气集中起来的分散式制氢方案。此方案的优点是设备装配的灵活性好，易于改装；缺点是风电机组之间的能量差异增加了能量管理的难度，且氢气管网的结构复杂。
2) 集中式风电制氢方案，即多台风电机组耦合多个电解槽构成风电制氢模组的功能化合并式制氢方案。此方案的优点是功能化明确，后期维护成本低，无需考虑多台风电机组的能量差异，且可以使用已有的海上风力发电平台。不同风电系统和制氢系统耦合工艺方案的示意图如图1 所示。
1.2 电解海水制氢工艺
电解海水制氢工艺主要包括直接海水电解制氢和海水淡化后电解制氢2 种方案，其示意图及优缺点如图2 所示。对两种方案的优缺点进行对比分析：
1) 技术路线的复杂性方面，直接海水电解制氢方案省去了海水淡化设备的投入，缩短了整体的工艺流程，有效降低了设备的投入成本。
2) 制氢效率方面，电解水制氢是一个电化学反应过程，其反应效率直接受反应温度的影响。
直接海水电解制氢方案由于需要频繁更换海水，造成其电解制氢反应过程经常发生在低温区间，导致电解效率低，电解能耗大。
3) 废液处理方面，海水淡化后电解制氢方案的电解质为30%( 质量分数) 的KOH 溶液，在电解制氢过程中，KOH 会在电解槽中不断循环，损失较少，几乎可以忽略该损失。由于海水中的离子浓度不能满足高效电解海水的需求，因此在直接海水电解制氢的过程中，需要增加KOH 来提升电解液的电导率；而在海水反复更换的过程中，KOH 也需要反复更换，但KOH 不能直接排海，需要添加额外的废液后处理流程，由此显著增加了废液处理和处置的难度和成本。
4) 制氢成本方面，直接海水电解制氢方案节省了海水淡化的工艺步骤，在设备投入上存在优势。但是目前海水淡化技术的工艺成熟，通过核算，海水淡化增加的制氢成本远低于提高制氢效率、废液处理等方面增加的成本，因此直接海水电解制氢方案在成本方面不具备优势。
综上可知，海水淡化后电解制氢方案虽然在工艺流程上增加了海水淡化过程，但由于海水淡化技术的工艺成熟，成本不高，并且在电解效率、废液处理、制氢成本方面该方案均表现出显著优势，因此其为更优方案。
2 工艺流程
根据模块化风电耦合海水淡化后电解制氢的技术要求，海上风电制氢的工艺流程主要包括风力发电、电解水制氢、海水淡化、氢气纯化、氢的储存和运输这5 大基本工艺流程；此外，为保证海上风电制氢系统始终处于安全的工作温度，还需有系统冷却这一工艺流程。海上风电机组产生的电力通过风电场集电海缆汇集到海上电解水制氢平台( 由海水淡化及浓盐水排放系统、混合电解制氢及氢气纯化模块、氢气压缩加注系统组成)，在该平台完成制氢后，由输氢管道或海上运氢船传输至岸上[5]，整个海上风电制氢系统的工艺流程示意图如图3 所示。
2.1 风力发电
海上风电机组的内部构造、基础结构及平台图如图4 所示。
风力机组发电的主要工作原理是法拉第电磁感应定律，即：利用风力产生的机械能带动风电机组叶轮发生转动，利用齿轮箱的变速作用将叶片的低转速切换为磁力发电机所需的高转速，再由磁力发电机内的转子和定子的相对转动来切割磁场，最终输出电流，然后通过整流和变压等环节后输出可利用的电能。风电机组输出功率的大小取决于风功率的大小，即风电场所在场址的风能密度。
海上风电机组基础的结构包括固定式与悬浮式[6]。采用固定式基础结构的风力发电平台无法在远海风电项目中使用；而悬浮式基础结构能够有效解决此问题。目前国内外海上风电机组的悬浮式基础类型主要包括3 种：单立柱式、半潜式和张力腿式[7-8]。
2.2 电解水制氢
电解水制氢以水为原料制备氢气，是一种将电能转化成化学能和热能的化学反应过程。根据反应中电解液酸碱度的不同，电解水制氢可以分为碱性、酸性、中性3 大类[9]，目前实际应用主要为碱性和酸性电解水制氢。
目前主流的电解水制氢技术主要有以下4种：碱性电解水(ALK) 制氢、质子交换膜(PEM)电解水制氢、固体氧化物电解水(SOEC) 制氢、阴离子交换膜(AEM) 电解水制氢[10]。这些电解水制氢技术的参数对比如表1 所示。
针对海上风电制氢而言，为保证能量供应成本较少，应当使用常温电解技术，即ALK 制氢、PEM 电解水制氢和AEM 电解水制氢技术。其中，ALK 制氢技术最为成熟[11]，能量效率适中，系统结构简单，适用于大容量制氢需求下的多电解槽配备，可作为海上风电制氢的主要制氢技术。但海上风电的大范围波动特性和ALK 制氢技术所需要的恒定小范围电力输入存在冲突，因此通过和动态响应特性良好的PEM 电解水制氢技术或AEM 电解水制氢技术进行耦合，能够有效缓解海上风电的波动性影响。从表1 可以看出：AEM 电解水制氢技术主要存在阴离子交换膜的OH- 导通率较低、机械稳定性差等问题[12]，导致其商业化应用受到了一定限制；但这些问题近些年已经得到解决，并且其电解质为稀碱( 即低浓度碱液)，无需采用贵金属催化剂，和ALK制氢技术耦合搭配使用能够减少电解原料处理的复杂性及投入成本，因此ALK 制氢技术和AEM电解水制氢技术的组合是比较符合海上风电制氢要求的方案。主流的电解水制氢技术原理对比及海上风电制氢方案选择示意图如图5 所示。图中：TRL 代表技术成熟度等级。
2.3 海水淡化
海水淡化是电解水制氢中原料制取的关键环节，这是因为海水中大量存在的氯化盐类物质会以多种方式影响水的电解过程[13]。首先，阳极处会发生析氯反应，与析氧反应发生竞争；其次，海水具有腐蚀性，大多数的非贵金属会在阳极电位下溶解并产生金属氯化物和氯氧化物；第三，海水中含有的大量生物和溶解固体会污染膜和电极，而海水中的阳离子则会对阴离子交换膜造成污染，导致电导率降低。海水淡化的主要目标即为消除上述提到的海水中会影响电解水过程的所有离子，以减少其对电解水制氢系统的干扰。
目前常用的海水淡化技术包括多效蒸馏、多级闪蒸、蒸气压缩、电渗析和反渗透。适用于海上风电制氢系统中的原料水供给且比较成熟的海水淡化技术是反渗透技术和电去离子(EDI) 技术相结合的形式( 即“反渗透混合 EDI 技术”)，其海水淡化的工艺流程如图6 所示，具体分为以下4 步( 对应图6 中①～④)。
1) 预处理：这个过程包括去除大颗粒物、有机物和部分无机物，为后续的反渗透处理和EDI处理做准备。
2) 反渗透处理：反渗透是整个海水淡化工艺流程的核心部分。在此阶段，需要把海水调整为适合反渗透的pH 值，并去除一些溶解在水中的盐分[14]。
3)EDI 深度脱盐：EDI 是一种将电渗析技术和离子交换技术相结合的脱盐技术。经过反渗透处理的海水进入EDI 混床后，通过离子交换树脂进一步去除盐分。
4) 清洗：定期清洗可以保证设备的正常运行，并延长使用寿命。
总体而言，反渗透混合EDI 技术使海水淡化工艺流程更加高效、环保和可持续，这种工艺流程不仅能提供高质量的淡水，而且对于海洋环境的保护也有积极影响。
2.4 氢气纯化
电解槽制得的氢气中会含有少量氧气和水汽，需要将二者去除；同时，利用具有波动性的风电作为电源时，氢气纯度会进一步下降，因此整个海上风电制氢系统需配套氢气纯化系统进行氢气提纯。根据干燥塔数量的不同，氢气纯化系统可以分为两塔式和三塔式两种。下文以三塔式氢气纯化系统为例进行介绍。
三塔式氢气纯化系统的工艺流程为：首先进行脱氧，在脱氧塔中，氢气中的少量氧气在催化剂的作用下可与氢气发生反应生成水；脱除杂质后，经过冷却器和集水器，冷却分离除去游离的小水滴，然后氢气进入分子筛吸附干燥器再次去湿；最后通过压力调节阀调定纯化工作压力，并通过高效过滤器除尘，最终获得高纯氢，其示意图如图7 所示。
当采用风电供能时，需要考虑制氢量的波动性，因此需要在氢气纯化系统里配置缓冲装置，即在图7 原本三塔式氢气纯化系统( 此时其为“大系统”) 的基础上，额外增配1 套处理能力较小的三塔式氢气纯化系统( 其为“小系统”)。当控制系统检测到海上风电制氢系统在较低负荷下工作时，大系统不工作，仅有小系统工作；当控制系统检测到海上风电制氢系统在较高负荷下工作时，大系统与小系统同时工作。因此，整套氢气纯化系统能同时满足高功率和低功率条件的输出，克服了海上风电制氢氢气纯化系统的波动性。
2.5 氢的储存和运输
为了实现从海上风电制氢端到用氢端的转运，海上风电制氢的工艺流程中还包含氢的储存和运输流程。根据氢的储存和运输状态，可以分为氢气管道运输、高压气氢储运、低温液氢储运这3 种物理储存和运输方式( 见图8)，以及以固态金属氢化物为代表的化学储氢方式，但化学储氢方式仍未进行产业大规模推广。
1) 氢气管道运输是将低压氢气直接通过地下管道运输到用氢侧。该方式的输氢量大、能耗低，是当前低成本运氢的主要方式。目前有利用新建纯氢管道输氢和利用已有天然气管线掺氢运输两种方式，针对海上制氢的远海位置特点，利用新建纯氢管道输氢的方式更佳。
2) 高压气氢储运[15] 是通过压缩技术将气态氢在临界温度以上加压注入高压储罐进行储存，再通过陆上交通载具进行运输的方式。长管拖车[16]和管束式集装箱[17] 均能够实现对高压气氢储罐的运输，其中，长管拖车具有更好的灵活性，而管束式集装箱拥有更大的容积设计空间。由于海上制氢的规模大且场所位于海上，管束式集装箱显然能够更好地满足运输需求，并且其箱体自身相对具有较强的固定性，能够更好地使金属高压气氢储罐抵御海上运输环境的不平稳特性。因此，针对海上风电制氢系统而言，管束式集装箱的运氢方式更佳。
3) 低温液氢储运是在高压环境下使氢气在临界温度(-252.8 ℃ ) 以下被液化成更高密度的液氢后注入液氢储罐[18]，并通过大型交通载具运输到加氢端的方法。液氢具有储运密度大、能量密度高的特点，应用前景广阔[19]，随着陆上和海上交通载具技术的进步，低温液氢储运会成为长距离高纯氢储运的主要方式。
此外，由于海上风电制氢系统的制氢、储氢、运氢环节均需要在海上进行，因此高压气氢储运方式的管束式集装箱和低温液氢储运方式的液氢储罐的长距离运输均需要通过运氢船来实现。
2.6 系统冷却
除了上述基本工艺流程外，海上风电制氢系统中冷却过程同样必不可少。虽然电解水制氢过程是吸热反应，但在制氢过程中需要源源不断地给其提供电能，而供给的电能通常比电解反应需要的能量要多，因此多余的能量会转化为热量。而当电解槽在规定的温度范围以下工作时，该部分热量可用于加热碱液，以提高电解槽的工作温度；当电解槽在规定的温度范围内工作时，多余的热量需由冷却水带走，以维持正常的反应温度。除此之外，电解水生成的氢气、氧气也必须冷却除湿；同时，风电电力输出端与制氢设备之间的整流装置及大型设备的泵机也需要设置必要的冷却管路。电解槽冷却系统的工艺流程示意图如图9 所示。
海上风电制氢系统的冷却水来源一般有2种：1) 采用海水作为冷却水的来源。此方式需要配置1 套海水循环系统，该系统通过管道将海水引入制氢设备的冷却器中，利用海水的自然循环进行冷却；在循环过程中，海水吸收了制氢设备产生的热量，然后通过排放口排出。2) 采用淡化海水作为冷却水的来源。此方式通过反渗透混合EDI 技术将海水转化为淡水，淡化后的海水经过处理和过滤后，进入冷却水循环系统，为制氢设备提供冷却水。
3 关键装备
海上风电制氢涉及多种复杂的工艺流程和关键装备，而这些关键装备的性能和效率将直接影响制氢的成本和产量。下文将重点探讨海上风电制氢技术中特有的核心工艺流程所需的关键装备，其中，由于电解水制氢、氢气纯化、系统冷却等工艺流程所需的关键装备与常规电解水制氢的装备基本相同，本文不再介绍。
3.1 海水淡化关键装备
海水淡化关键装备主要包括反渗透膜、高压泵、能量回收装置、EDI 膜堆、淡水隔断，以及相应的控制系统、检测仪表等辅助设备。1) 反渗透膜是海水淡化的核心组件，其具有高脱盐率、耐腐蚀、耐高压、抗污染等特点。海水通过反渗透膜后，其中的盐分和杂质被有效去除，从而得到淡化后的水。2) 高压泵用于对海水加压，使其能够通过反渗透膜。3) 能量回收装置用于回收反渗透过程中产生的压力能，以减少能量消耗。4)EDI 膜堆是EDI 设备中最重要的组件之一，由进水通道、淡水通道、浓水通道和极水通道组成，采用模块化设计，可以根据不同的需求进行组合和扩展。5) 淡水隔断用于将淡水出口与进水口隔开，以防止淡水回流进入进水口。
3.2 氢气压缩关键装备
氢气压缩机是将氢气加压注入储罐的核心装置，输出压力和气体封闭性能是其最重要的性能指标[20]。目前氢能领域使用的氢气压缩机类型主要为隔膜式和液驱式。1) 隔膜式压缩机的气缸由膜腔组成，利用曲轴旋转带动连杆扭转，从而形成隔膜活塞的往复运动，使液压油的压力上升，进而带动隔膜活塞摆动。2) 液驱式压缩机的原理两头相同，是以液压油为主要启动材料，利用由设备启动侧活塞所推动的加压机构运动来完成对空气的吸入与推出，活塞每一次反复循环都能够完成二次增压，因此加压效率较高，同时也可以满足频繁启停的工作需求[21]。由于处于海上风电制氢的环境，氢源压力存在大范围波动，因此两种类型的设备相比，液驱式压缩机更合适。
3.3 系统储能关键装备
考虑到风电能源的供应相对不稳定，且海上风电制氢平台通常远离陆地，因此需要合理配备储能来支持制氢设备及其他设备的正常运转。锂电池储能设备具有能量密度高、充放电快等优点，可以为海上风电制氢平台提供稳定的电力供应，从而提高生产效率。锂电池储能设备主要组成部分包括锂电池组、电池管理系统(BMS)、储能变流器(PCS)、能量管理系统(EMS)、辅助设备[22]。
锂电池储能系统的主要作用为以下3 点：1) 可以参与调频，改善电解设备的电能输入质量；2) 可以用作备用电源，在特殊情况下维持必要设备运行；3) 可以确保电解水制氢系统在电力供应中断或不足时能够继续正常运营，减少不必要的停机，提升生产效率。
4 结论与展望
海上风力资源丰富，适合作为海上电解水制氢的能源来源。本文系统性地对目前海上风电制氢的工艺系统及关键装备进行了梳理，首先介绍了海上风电制氢的核心工艺，包括风电系统和制氢系统耦合工艺，以及电解海水制氢工艺；然后，分析了风力发电、电解水制氢、海水淡化、氢气纯化、氢的储存和运输这5 大基本工艺流程，以及重要的系统冷却工艺流程；最后，介绍了海水淡化、氢气压缩、系统储能工艺流程的关键装备。以期为该领域的研究和应用提供参考。
通过对海上风电制氢技术的工艺和关键装备的综述能够发现，海上风电制氢技术未来应重点关注技术创新方面，以提高海上风电制氢系统的制氢效率和性能。未来海上风电制氢技术的发展趋势是多能源协同发展，将海上风电与其他可再生能源( 比如：太阳能、潮汐能等) 相结合，构建复合能源系统，从而能提高能源利用效率和系统的稳定性。这将为海上风电制氢提供更加可靠的能源支持，促进可再生能源的深度融合和综合利用。
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