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风能 专题分析

净零排放目标下氢能的多元应用:海上风电结合氢能

October 19, 2021 Wind InfoLink

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海上风电─氢能 简介

氢能成为净零排放目标的其一发展要项

国际能源署(IEA)于 5 月发布《全球能源部门 2050 净零排放路径》(Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector),报告分析了未来三十年间实现减碳目标需要达成的 400 多项里程碑,而氢能以其多元的特性,成为各国实现净零排放的发展要项之一。许多国家开始制定绿氢开发政策,企图将绿氢纳入再生能源的蓝图,澳大利亚便是其中一国,澳大利亚自 2019 年发表《国家氢能策略》(National Hydrogen Strategy)启动氢能发展,目标从化石燃料出口大国转型出口再生能源。

氢能具有能够长时间大量储存之优点,是极佳的能源载体(energy carrier),当未来绿能供电比例越来越高,氢气可以提高能源的供给稳定性。氢能亦可以作为各种工业活动的原料,例如透过取代煤炭,使钢铁及化学业摆脱对化石燃料的依赖。除此之外,燃料电池也是一种使用氢作为燃料的应用之一,使氢能转化成电力。

氢气可以透过两种不同的生产过程和技术获得,蒸汽重整(steam reforming method)和水电解(electrolysis)。前者的产物即为俗称的「灰氢」,但由于原料组成本身含有碳,在制程中会产生大量的碳排放,与节能减碳的目标背道而驰;而使用这种方法并通过碳捕获和封存(Carbon capture and storage, CCS)产生的氢则称作「蓝氢」。至于水电解法,则是透过可再生能源所产生的电力进行电解水产生氢,也就是「绿氢」,此过程并不会排放污染气体,能实现零碳排放。

离岸风电结合氢能的应用

风氢,即透过风力发电电解产生氢。目前位于成熟阶段的风力发电场面临电无法充分被使用的问题,进而被迫停止部分风机运转,而储氢能够克服此窘境:在风电需求不高的时机,利用多余的风电来生产氢,除了可以解决能源过剩的问题,亦便于传输及储存能源,达到供需平衡。除此之外,氢能相较其他储电设备,可透过改良后的管线来储存及运输,成本上占极大优势。

然现阶段而言,将电送到制氢厂仍有能源损耗的疑虑,因此西门子歌美飒和西门子能源公司正在开发一种可以透过电解生产氢的商业规模海上风机,计划改造现有风机 SG14-222 DD,使风机具备电解功能。比起将电送至制氢厂,结合发电及电解可以避免电转换及运输时的损耗,进而提高转换效率。此计划预计于 2025 年至 2026 年落成。

许多再生能源开发商也抓紧这个机会,规划投入氢能的研究。由沃旭能源主导的 SeaH2Land 开发计划将在北海打造一座 2 GW 海上风电场及两座共 1 GW 电解水制氢厂,预计 2030 年前完工。沃旭表示,北海港的氢气需求约为每年 58 万吨,而此计划能满足约 20% 的需求。而计划完工后,比利时与荷兰之间会多出一条长达 45 公里的氢气管线,SeaH2Land 计划也将协助两国实现 2030 年的减碳目标。

石油巨擘荷兰皇家壳牌公司亦参与了海上风电结合氢能的研发,着手规划欧洲最大的海上风电─氢能开发案 NortH2,此一计划将于 2040 年在北海兴建一座 10 GW 的海上风电厂。此开发案仍在草创期,预计于今年年底提出完整的计划内容,而目前考虑搭配三种做法来制氢:

  • 参考海上油气平台结合氢能的计划 PosHYdon,该计划预计在 Neptune Energy 公司研发的 Q13a 石油和天然气平台上用风电和光伏进行电解产生氢
  • 透过电缆将风场产生的电送至位于北海人造岛上的电解厂进行制氢,并运输至周围国家
  • 采用具备电解功能的风机,也就是参考上述提及西门子歌美飒和西门子能源公司研发整合电解器的海上风机

总结

若氢能发展成熟,全球能源经济结构将有所改变,再生能源将取代油气在能源界的地位,而先天条件不足、缺乏天然油气资源的国家也有望成为能源输出国,例如南韩及日本。然而,现阶段绿氢的发展仍十分漫长,氢能存有效率及成本的疑虑,至少要等到绿电价格以及转换成本大幅下降,氢能生产才有机会达到规模经济,进而实现商业化。

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