中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在全球氣候治理框架下，能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型已成為國(guó)際社會(huì)共同關(guān)注的戰(zhàn)略議題。作為全球貿(mào)易體系的關(guān)鍵支撐結(jié)構(gòu)，航運(yùn)業(yè)年度化石燃料消耗量達(dá)2億t石油當(dāng)量，占運(yùn)輸領(lǐng)域碳排放量的13%，占全球人為碳排放總量的2.9%。國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）提出到2040年航運(yùn)業(yè)減排70%的目標(biāo)。甲醇作為新興的綠色船舶燃料，其體積能量密度（15.6兆焦/升）顯著高于液氫（8.5兆焦/升）和液氨（11.5兆焦/升）。此外，相比氫的極低溫儲(chǔ)存挑戰(zhàn)和氨的毒性風(fēng)險(xiǎn)，甲醇憑借其常溫常壓液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)及無(wú)毒無(wú)害的優(yōu)勢(shì)，在船舶燃料轉(zhuǎn)型中展現(xiàn)出更強(qiáng)的應(yīng)用潛力。因此，發(fā)展綠色甲醇對(duì)推動(dòng)航運(yùn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、助力全球碳減排具有重要意義。然而，由于船舶本體的體積限制，海上運(yùn)輸行業(yè)面臨著對(duì)航運(yùn)途中加注綠色醇類燃料的迫切需求。
建立海上能源島是解決上述問(wèn)題的潛在路徑。海上能源島的概念最早由Dominic Michaelis于2007年提出，當(dāng)初的概念構(gòu)想是建設(shè)一個(gè)巨型的海上漂浮式平臺(tái)，并在其上布置多套風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽(yáng)能收集器、波浪能利用裝置等裝置，形成類似于小型島嶼的能源生產(chǎn)基地。隨著時(shí)間的推移，這一概念得到了不斷的豐富和發(fā)展，但業(yè)界尚未就海上能源島的定義達(dá)成共識(shí)。本文提出海上能源島的概念如下：海上能源島是在海洋上建設(shè)，可依托于現(xiàn)有的自然島嶼，或依托于新建的人造島嶼，集成海上風(fēng)電、海水制氫（氨/醇）和儲(chǔ)能等多種能源轉(zhuǎn)換利用裝置，從而為島嶼居民、沿海城市、海洋平臺(tái)或者海洋船運(yùn)提供清潔能源供給。其與傳統(tǒng)海上漂浮式平臺(tái)的不同之處在于：
（1）在建設(shè)方式上，海上能源島通?；谧匀粛u嶼或人工填島，部分設(shè)施可延伸至漂浮結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)海上漂浮式平臺(tái)通過(guò)錨鏈或纜繩固定，完全漂浮于海上；
（2）在功能定位上，海上能源島面積較大，可側(cè)重于多能集成與綜合利用，而傳統(tǒng)海上漂浮式能源平臺(tái)造價(jià)較高、面積較小，往往更側(cè)重于單一能源開(kāi)發(fā)。2017年，歐洲輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)一步提出能源島作為海上風(fēng)電的電力匯集樞紐，丹麥的Bornhold能源島項(xiàng)目成為首個(gè)實(shí)踐案例。荷蘭于2023年9月啟動(dòng)伊麗莎白公主能源島項(xiàng)目，該島整合直流與交流輸電技術(shù)，成為首個(gè)兼具風(fēng)電場(chǎng)連接、電力存儲(chǔ)及跨國(guó)輸電功能的能源樞紐。
當(dāng)前階段的海上能源島項(xiàng)目多集中于電能的單一形態(tài)，尚未涉及氫、氨等能源的制備。隨著能源低碳轉(zhuǎn)型，海上能源島的功能從單一發(fā)電向多能互補(bǔ)轉(zhuǎn)變。2024年11月，中廣核牽頭啟動(dòng)國(guó)內(nèi)首個(gè)海上綜合能源島創(chuàng)新平臺(tái)，重點(diǎn)攻關(guān)海水制氫、氫氨醇儲(chǔ)運(yùn)等關(guān)鍵技術(shù)，并計(jì)劃示范驗(yàn)證500千伏柔性直流輸電與大容量漂浮式風(fēng)電技術(shù)。2025年3月，國(guó)家能源集團(tuán)氫能科技公司與中集來(lái)福士集團(tuán)合作的首個(gè)海洋氫氨醇一體化項(xiàng)目建設(shè)完工，正式開(kāi)啟了海上能源島多能融合時(shí)代。
電-碳-氫-醇海上綜合能源島是指通過(guò)整合海水淡化、電解制氫、空氣碳捕集和甲醇合成系統(tǒng)，在海上風(fēng)電場(chǎng)周邊形成能源轉(zhuǎn)換樞紐，直接為船舶提供液態(tài)甲醇燃料補(bǔ)給。該類能源島包括三重優(yōu)勢(shì)：
（1）實(shí)現(xiàn)能源就地消納，通過(guò)海上綠色甲醇生產(chǎn)規(guī)避電能長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中的損耗，解決輸電高成本問(wèn)題；
（2）可以作為海上能源樞紐，滿足海上來(lái)往船舶燃料加注需求；
（3）構(gòu)建碳循環(huán)，碳捕集技術(shù)將大氣CO2轉(zhuǎn)化為燃料原料，配合綠色甲醇替代傳統(tǒng)船用燃料，可同步減少溫室氣體排放，對(duì)海洋與大氣環(huán)境保護(hù)具有雙重效益。
電-碳-氫-醇協(xié)同的海上綜合能源島形態(tài)
在電-碳-氫-醇的海上綜合能源島形態(tài)下，“電”指漂浮式海上風(fēng)電產(chǎn)生的綠電、“氫”指由綠電通過(guò)電解水制氫轉(zhuǎn)化而來(lái)的綠氫、“碳”指海上直接碳捕集技術(shù)捕獲的CO2、“醇”指通過(guò)氫和碳合成反應(yīng)產(chǎn)出的綠色甲醇產(chǎn)品。
電-碳-氫-醇協(xié)同的海上綜合能源島形態(tài)如下圖所示。首先，漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為綠電，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)用于吸收風(fēng)電大發(fā)時(shí)段電解制氫系統(tǒng)無(wú)法消納的功率，并在風(fēng)電不足時(shí)段釋放電能；其次，海水通過(guò)提升泵進(jìn)入海水淡化純化模塊，完成淡化與純化流程后，通過(guò)PEM電解槽系統(tǒng)發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣，氫氣經(jīng)分離、除氧、干燥后進(jìn)入氫氣壓縮機(jī)，加壓后進(jìn)入儲(chǔ)氫罐；再次，海上直接碳捕集裝置提供合成甲醇的碳源，捕集的CO2直接進(jìn)入合成甲醇系統(tǒng)，與儲(chǔ)氫罐輸送的氫氣反應(yīng)生成甲醇并存儲(chǔ)于甲醇儲(chǔ)罐中；最后，借助甲醇加注系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海上船舶的甲醇燃料補(bǔ)給。
↑ 電-碳-氫-醇協(xié)同的海上綜合能源島形態(tài)
該形態(tài)通過(guò)將綠電、綠氫、綠醇以及碳捕集技術(shù)靈活協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了以下3方面意義：
（1）顯著提升深遠(yuǎn)海風(fēng)電消納效率，為海洋可再生能源大規(guī)模應(yīng)用提供解決方案；
（2）構(gòu)建碳循環(huán)體系，實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，為我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的順利達(dá)成提供強(qiáng)有力支撐；
（3）構(gòu)建海上綠色燃料供應(yīng)鏈，解決國(guó)際航運(yùn)業(yè)綠色燃料補(bǔ)給難題，為全球航運(yùn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型注入變革性動(dòng)力。
電-碳-氫-醇協(xié)同的海上綜合能源島關(guān)鍵技術(shù)
● 漂浮式海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)
海上風(fēng)電基礎(chǔ)在海上風(fēng)力發(fā)電中起到關(guān)鍵的支撐作用，提供了穩(wěn)定的平臺(tái)并抵御海洋環(huán)境中的波浪、潮汐和風(fēng)力等外部力量。海上風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)主要涉及固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)兩種類型，不同平臺(tái)適應(yīng)不同的水深條件，以最大化利用風(fēng)能資源，解決土地限制問(wèn)題，并降低對(duì)環(huán)境的影響。固定式基礎(chǔ)通過(guò)樁基結(jié)構(gòu)等方式固定在海底，包括重力式、單樁式、三腳架式以及導(dǎo)管架式基礎(chǔ)，適用于水深較淺的海域（50米）。半潛式基礎(chǔ)相對(duì)于其他漂浮式基礎(chǔ)型式，在穩(wěn)定性、抗風(fēng)能力、適應(yīng)深水等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)較為適宜于100米水深以下的海域。本文選用漂浮式基礎(chǔ)中的半潛式基礎(chǔ)。
● 電解制氫技術(shù)
電解制氫是電-碳-氫-醇協(xié)同中的核心技術(shù)，目前主要包括堿性電解槽（Alkaline water electrolysis，AWE）、質(zhì)子交換膜電解槽（Proton exchange membrane water electrolysis，PEM）、陰離子交換膜電解槽（Anion exchange membrane water electrolysis，AEM）和高溫固體氧化物電解槽（Solid oxide electrolysis cell，SOEC）等技術(shù)。AWE發(fā)展較為成熟，在全球電解水制氫市場(chǎng)中占比約90%，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低；缺點(diǎn)是負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較窄，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，不適用于海上風(fēng)電的強(qiáng)波動(dòng)性。PEM發(fā)展迅速，近年來(lái)市場(chǎng)份額逐步提升，其優(yōu)勢(shì)在于電解效率高，且啟動(dòng)速度快，可快速響應(yīng)電力波動(dòng)，更加適應(yīng)海上能源島風(fēng)光出力波動(dòng)較大等場(chǎng)景；但缺點(diǎn)是質(zhì)子交換膜和貴金屬催化劑成本高，導(dǎo)致整體投資成本比AWE高2～3倍。AEM和SOEC是新興技術(shù)，處于研發(fā)和示范階段。在海上風(fēng)電制取綠色甲醇的場(chǎng)景中，本文采用PEM技術(shù)，原因在于該技術(shù)可憑借秒級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，高效適配海上風(fēng)電的劇烈波動(dòng)性，減少棄風(fēng)損失并提升制氫效率，且占地面積較小。
● 碳捕集技術(shù)
碳捕集技術(shù)主要包括4類：燃燒前捕集、燃燒后捕集、富氧燃燒以及直接空氣捕集技術(shù)。燃燒前捕集指通過(guò)氣化燃料生成合成氣并分離高濃度CO2，適用于新建氣化設(shè)施，能耗較低但改造成本高；燃燒后捕集直接從燃燒煙氣中分離低濃度CO2，技術(shù)成熟且兼容現(xiàn)有電廠，但能耗和成本較高；富氧燃燒是以純氧助燃生成高濃度CO2煙氣，捕集效率高且可改造傳統(tǒng)電廠，但制氧能耗大且技術(shù)尚未完全成熟。前兩者均需要傳統(tǒng)的工業(yè)排放源，后者也需要燃燒過(guò)程，均不適宜于深遠(yuǎn)海場(chǎng)景。目前海上碳捕集主要靠直接空氣捕集（DAC）技術(shù)。該技術(shù)直接從大氣中捕獲CO2，無(wú)需依賴固定排放源，適合海上孤島式能源系統(tǒng)。雖然成本較高，但海上風(fēng)電可以提供低價(jià)的可再生能源，降低DAC的能耗成本。
● 合成甲醇技術(shù)
目前綠色甲醇主要有2種生產(chǎn)途徑：（1）生物質(zhì)甲醇，利用生物基原料生產(chǎn)；（2）綠電制甲醇。由于海上特殊的情況，僅考慮綠電制取甲醇。綠電制甲醇主要以CO2為原料，其技術(shù)路線分為：（1）綠電制綠氫耦合CO2制甲醇；（2）CO2電催化還原制甲醇。其中，CO2電催化還原制甲醇工業(yè)化尚存一些關(guān)鍵性挑戰(zhàn)，相比之下CO2加氫制甲醇被證明是最具可實(shí)施性和規(guī)?；穆肪€。
