综述：海上风电的视角：基于氢的生产、氢的储存及氢的运输

《Materials Science and Engineering: A》：The perspective of offshore wind power: based hydrogen production, hydrogen storage, and hydrogen transportation

近海风能制氢及海运储运技术研究提出固体氢存储与气-固复合储运系统，解决深海风电场氢能运输成本高、环境复杂的技术难题，建立风氢一体化系统方案。

　　海上风电资源的整合与水电解制氢系统的结合，为解决偏远海域风电发电的利用难题提供了可行的解决方案，同时也有助于实现大规模、低成本的绿色氢气生产。然而，这种模式在技术上面临诸多挑战，主要是由于长距离运输和复杂的海洋环境条件。目前，海底输电电缆和氢气运输管道的铺设与维护成本高昂，因此，通过海运进行氢气直接运输成为一种更优的策略，以应对大规模氢气生产和运输的需求。

本文从多个方面对这一主题进行了深入探讨。首先，介绍了一种零压差固态氢气存储的新方法，旨在解决绿色氢气产业中的存储和运输问题。传统的多级压缩需要更大的空间，而单级静态压缩则基于优化的氢气吸收/释放平衡。通过利用风力发电电解过程中产生的余热，可以提升氢气存储材料的温度，从而实现高压氢气供应。这种新型固态氢气存储材料应具备良好的压-温曲线斜率、适中的平衡压力以及较强的温度依赖性，以确保系统在控制的热力学条件下运行，提供高达45 MPa的高压氢气供应。这种方法不仅提高了系统的安全性，还减少了对机械压缩的依赖，为海上风电-氢气应用领域提供了一种全新的加氢模式。

其次，提出了一种低温海水、电解氢余热和风电富余能量的级联利用策略，以显著提升氢气能效。这一策略可以有效利用各种能源形式，提高整体能源利用效率，从而在大规模氢气存储和运输过程中实现更经济的运行。此外，还探讨了海上风电平台上的氢气能系统集成方案，为实现更安全、更可靠的氢气生产提供了新的视角。

当前，海上风电-氢气系统主要采用三种方法。第一种是通过海底输电电缆直接传输近海风电发电的电力，这种模式具有经济优势，因为它避免了氢气转化过程，但其局限性在于仅作为单一能源解决方案，缺乏灵活性。第二种是通过海岸电解纯水，再通过管道运输氢气，这种方法可以减少电力传输过程中的能量损失，但受限于地理条件和沿海土地资源的竞争。第三种则是通过海运直接运输氢气，这种方式虽然运输成本较高，但在远程海域风电资源开发中，却是唯一具备技术和经济可行性的解决方案。

为了应对这些挑战，本文提出了一个结合固态氢气存储与气固复合存储的新模式。这种模式可以实现自主压力稳定，从而减少对机械压缩的依赖。通过调节压力和温度，可以克服固态氢气存储在动力学方面的限制，提高氢气释放速率，以满足海上风电-氢气系统中波动性的需求。此外，这种新型存储和运输系统在设计上更加紧凑，能够有效减少空间占用，提高运输效率。

从全球范围来看，海上风电的发展已经取得了显著进展。欧洲率先开展海上风电项目，丹麦在1991年建设了其首个海上风电场，装机容量达到450 kW，标志着海上风电技术的重要突破。随后，丹麦在2002年又实现了其首个商业化海上风电场，拥有80台风力发电机。这一系列的发展为全球海上风电提供了宝贵的经验和参考。

然而，随着海上风电规模的扩大，传统的输送方式面临着越来越多的挑战。特别是在深海区域，由于复杂的海洋环境，如狂风巨浪、盐雾腐蚀以及海底电缆和管道的高昂建设成本，使得这些输送方式在远程站点的应用变得尤为困难。因此，开发一种更加高效、安全且经济的氢气运输方式成为当务之急。

本文还分析了氢气存储和运输在海洋环境中的数量和成本问题。氢气存储和运输量（n）指的是在项目示范期内，通过海船进行多次往返运输所累积的氢气能量总量。这一数据可以通过船舶运输记录进行统计和计算。而氢气运输成本（m）则是指每千克氢气从海上平台运输到岸上的成本。通过合理设计和优化运输系统，可以有效降低运输成本，提高整体经济性。

在技术实现方面，本文探讨了多种氢气存储和运输系统的设计方案。其中，液态氢（LH?）和压缩气态氢（CGH?）仍然是目前最常见的运输方式。液态氢需要极低温（-253°C）进行冷却，这会显著增加电解装置的能量负担。同时，由于液态氢的密度较低，需要非常大的存储罐才能满足氢气容量需求。相比之下，压缩气态氢依赖于高压（70 MPa）的运输船，其重量过大，使得这种运输方式不适合浮动风力平台，而且在海上运输过程中存在爆炸风险。

因此，固态氢气存储成为一种更加高效、安全且经济的替代方案。金属氢化物如Ti-Cr-V合金可以在接近常压的条件下吸收氢气，从而避免压缩过程中的能量损失，提高整体系统效率。此外，这些材料的耐腐蚀性可以有效延长风力涡轮机的使用寿命。然而，固态氢气存储在动力学方面的限制，如氢气释放速率不足，仍然需要进一步优化。

为了克服这些限制，本文提出了一种结合固态和气固复合存储的新模式。这种模式可以通过调节压力和温度，实现氢气的高效释放和运输。此外，本文还分析了氢气运输系统在海洋环境中的实际应用情况，包括运输路径的选择、运输方式的优化以及运输成本的控制。

本文还讨论了海上风电-氢气系统的未来发展方向。随着技术的进步和成本的降低，这种系统有望在未来成为一种主流的能源解决方案。然而，目前仍然面临诸多挑战，包括技术上的不确定性、经济上的可行性以及环境上的适应性。因此，需要进一步研究和开发，以确保这种系统的稳定运行。

此外，本文还探讨了氢气存储和运输在不同应用场景中的优化方案。例如，在近海风电场，由于距离较近，可以采用传统的输电方式，而深海风电场则需要采用更加高效的运输方式，如海运。通过合理规划和设计，可以有效降低运输成本，提高整体能效。

总之，本文系统地分析了海上风电-氢气系统的现状、挑战和未来发展方向。通过提出新的存储和运输方案，为实现更安全、更可靠的大规模氢气生产提供了理论支持和技术指导。同时，本文还强调了氢气存储和运输在不同环境条件下的适应性，为未来海上风电-氢气系统的优化提供了重要参考。