我國(guó)海洋油氣能源需要轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)型的目的是貫徹我國(guó)的新發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，提供綠色清潔能源。我國(guó)的油氣能源怎樣轉(zhuǎn)型？它是由我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)所決定的。根據(jù)中國(guó)石油經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院發(fā)布的數(shù)據(jù),2022年我國(guó)各項(xiàng)能源一次消費(fèi)結(jié)構(gòu)占比為:煤炭56.2%、石油17.9%、天然氣8.5%、非化石能源17.4%。顯然,煤炭及石油占比過(guò)大。因此，目前我國(guó)能源的轉(zhuǎn)型，就是要大力發(fā)展化石能源中相對(duì)清潔的天然氣，提高其占比，來(lái)替代煤炭及石油，大力降低煤的占比，從而贏得時(shí)間來(lái)研發(fā)更加清潔的綠色新能源，提高其在能源消費(fèi)中的占比。
那么,結(jié)合我國(guó)海洋油氣產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)，應(yīng)該發(fā)展哪些新能源呢？筆者認(rèn)為，應(yīng)該是“三個(gè)發(fā)展”,首先是利用海上風(fēng)能優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展風(fēng)能發(fā)電：其次是利用海洋風(fēng)電優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展風(fēng)電制氫；再有是充分挖掘海洋水面與水下溫度差的潛力，大力發(fā)展溫差熱能發(fā)電。這三者是海洋油氣能源轉(zhuǎn)型中應(yīng)該發(fā)展的新能源。這三項(xiàng)新能源的發(fā)展都需要一定的時(shí)間。以非化石能源為例，整個(gè)“十二五” 的五年期間，它在能源消費(fèi)中的占比，才僅僅提高了2.6%；而煤炭占比的降低，自“十二五”2015年的63%降至2022年底的56.2%也用了7年。由此可見(jiàn)，發(fā)展新能源、替代化石能源，需要時(shí)間是比較長(zhǎng)的，但其發(fā)展速度會(huì)赿來(lái)越快，以2022年為例，我國(guó)非化石能源發(fā)電量占比已達(dá)36.2% ，超過(guò)了三分之一，前景非常廣闊。
發(fā)展二次能源氫能
氫能是一種二次能源，它是通過(guò)一定的方法利用其它能源制取的；而煤、石油、天然氣等化石能源,因可直接開采，故稱其為一次能源。綠氫因?qū)儆谌a(chǎn)業(yè)鏈清潔，故被譽(yù)為終極清潔能源。
氫能需要發(fā)展,首先是因?yàn)樗哂型怀龅淖陨韮?yōu)點(diǎn)。諸如, 資源豐富, 若將海水中的氫全部提取出來(lái)，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍；重量最輕, 密度 0.0899g/l，為能源中最輕者；導(dǎo)熱性好, 導(dǎo)熱系數(shù)比大多數(shù)氣體高出10倍；發(fā)熱值高, 3.05 kJ/l，是汽油的3倍；易于燃燒；利于環(huán)保, 燃燒時(shí)最清潔, 只生成水和少量氮化氫；運(yùn)輸方便；利用率高；應(yīng)用多元。
其次, 因?yàn)樗哂袑拸V的應(yīng)用領(lǐng)域。如圖所示, 氫能以工業(yè)和交通為主要應(yīng)用領(lǐng)域，在建筑、發(fā)電等領(lǐng)域也正在探索應(yīng)用。它的用途多樣, 如在交通領(lǐng)域, 無(wú)論是公路汽車、鐵路機(jī)車, 還是水路船舶，以至航空飛機(jī)，均可以氫燃料電池取代現(xiàn)用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，而航天火箭則可以用液體氫作為液體燃料驅(qū)動(dòng)；電力領(lǐng)域則可用氫氣或與天然氣混合燃燒驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電；還可加超高壓至幾百個(gè)大氣壓,轉(zhuǎn)化成固態(tài)金屬氫化物,制成構(gòu)件,應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域則如下圖所示, 以氫合成氨制取化肥占比最大；鋼鐵冶煉工業(yè), 因其排碳嚴(yán)重，約占我國(guó)總碳排放量的15%,故而向煉鐵高爐中噴氫氣取代部分焦碳燃燒, 也是工業(yè)中應(yīng)用氫的重要方面。
再有, 因?yàn)樗哂蟹奖愕闹苽錀l件。海上氣田可直接用天然氣制氫采用蒸汽轉(zhuǎn)化法, 將天然氣中甲烷與通入的水蒸氣作用后，生成一氧化碳及氫，即：CH4(g)+H2O(g) →CO(g) +3H2(g), 第二階段再輸入水蒸氣與一氧化碳作用生成二氧化碳與氫，即：CO(g)+ H2O(g) → CO2(g)+ H2 (g), 最后，吸附凈化，輸出氫氣。此外, 海上油氣田均可利用便捷的海上風(fēng)電, 采用電解水法制氫。以堿為工質(zhì)的堿水電解法制氫原理如圖所示, 在充滿氫氧化鈉的電解槽中通入直流電，水分子分解成氫離子H+與OH-離子, 氫離子茌電解槽陰極處獲得四個(gè)電子, 與之結(jié)合成氫原子后,化合成分子氫, 產(chǎn)生出氫氣, 在陰極處的化學(xué)反應(yīng)式為： 4H2O+4e-=2H2↑ +4OH- ；而帶負(fù)電荷的OH-離子移動(dòng)到陽(yáng)極處,失去四個(gè)電子,結(jié)合成水及氧分子,氧氣排出, 在陽(yáng)極處的化學(xué)反應(yīng)式為 ：4OH--4e-=2H2O+O2↑。產(chǎn)出的氫及氧氣均需經(jīng)液氣分離、洗滌凈化及冷卻,
當(dāng)然,發(fā)展氫能還有不少挑戰(zhàn)難題, 諸如安全保障、降低成本以及部分裝備的國(guó)產(chǎn)化等問(wèn)題, 均需進(jìn)一步研發(fā)解決。
發(fā)展海上風(fēng)電制氫
海上風(fēng)電制氫可以生產(chǎn)綠氫, 作為海洋油氣產(chǎn)業(yè)應(yīng)該大力發(fā)展。海上風(fēng)電場(chǎng)的核心裝備是風(fēng)電平臺(tái)。近海淺水采用固定式平臺(tái)；遠(yuǎn)海深水采用浮式以半潛式平臺(tái)為主, 如下圖1所示。平臺(tái)基座上安裝風(fēng)機(jī)， 風(fēng)機(jī)由漿葉、塔柱、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等組成。各風(fēng)機(jī)的直流電匯集到升壓站, 升鬲電壓、變成交流, 通過(guò)海底電纜進(jìn)入電網(wǎng)。
圖1
海上風(fēng)電制氫的開發(fā)模式現(xiàn)用的有三種。海上風(fēng)電+岸上制氫是第一種, 即將風(fēng)電傳輸至岸上制氫站制氫。其優(yōu)點(diǎn)是制氫及儲(chǔ)運(yùn)安裝維護(hù)方便；但海底電纜較輸氣管道建設(shè)運(yùn)維成本高，且傳輸損耗大。第二種模式是：分布式海上制氫+管道輸氫。分布式指的是將制氫分布到每一個(gè)風(fēng)電平臺(tái)上，每個(gè)平臺(tái)上均有一套制氫裝置, 如.下圖2所示。圖2
所有平臺(tái)制出的氫匯總后通過(guò)海底管道輸出。這種模式的突出優(yōu)點(diǎn)是，一個(gè)風(fēng)機(jī)平臺(tái)的制氫發(fā)生故障，其他照常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)氫。另外，輸氫管道較電纜建設(shè)的成本低。第三種模式是：集中式海上制氫+管道輸氫。此種模式是將各個(gè)風(fēng)電平臺(tái)產(chǎn)生的電，通過(guò)集電海纜，匯集到一個(gè)總的制氫平臺(tái)上制氫，制出的氫氣由輸氣管道輸出。下圖為我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的首座浮式誨上制氫平臺(tái)“東福一號(hào)”，圖3所示， 它在2023年6月2 圖
日于福建興化灣獲得海試成功。當(dāng)然, 對(duì)于海灃油氣行業(yè)來(lái)說(shuō), 將現(xiàn)有海上油氣平臺(tái)改造成為制氫平臺(tái)，更能降低成本。
此外, 對(duì)于海上氣田, 筆者還提出一種模式, 即：集中式海上制氫+天然氣管道摻氫輸送。此種模式不僅實(shí)現(xiàn)制氫、輸氫, 而且還可減少天然氣的碳排放, 一舉三得, 可供采納。鑒于2023年4月16日，中石油發(fā)布：用現(xiàn)有天然氣管道長(zhǎng)距離輸送氫氣技術(shù)獲得突破,目前，這條管道中的摻氫比例已達(dá)到24% 。實(shí)踐表明：筆者提出的這種海上氣田風(fēng)電制氫的開發(fā)新模式是可行的。
海上風(fēng)電制氫的輸出方式, 除直接用輸氫管道之外, 還有三種方式。第一種是：“電能+氫能”共享輸出方式。它如圖所示, 通過(guò)共享的一條臍帶纜, 將輸氫管道與風(fēng)電電纜一起送出。第二種方式 是：海上制氫站+運(yùn)輸船輸出氫氣方式。它如圖所示, 將全部風(fēng)電匯集到海上制氫站，制氫后充裝在氫瓶組中, 吊裝至運(yùn)輸船上, 海運(yùn)至碼頭。
第三種方式是：海上制氫站+加氫站+氫能船舶。如下圖所示, 它將海上風(fēng)電制出的氫氣，在海上加氫站為船用氫燃料電池加氫，提供船舶綠氫動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)“零排放的綠色航運(yùn)。顯然,它適用于遠(yuǎn)海。 綜觀上述, 因管道工程建設(shè)周期長(zhǎng), 成本高；氫動(dòng)力船舶尚待研發(fā), 故筆者認(rèn)為：海上制氫站+運(yùn)輸船輸出氫氣方式,目前在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均具優(yōu)勢(shì)，應(yīng)該是現(xiàn)階段我國(guó)宜于采用的方式。
氫燃料電池是將氫氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，同時(shí),它也是除儲(chǔ)氫瓶、罐之外的可移動(dòng)式儲(chǔ)氫裝置。它的制備如下圖所示。將氫氣送入燃料電池的陽(yáng)極板，在催化劑作用下, 氫分解成氫離子和電子，氫離子（質(zhì)子H+）通過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板，而電子不能直接通過(guò)質(zhì)子交換膜，只能在陽(yáng)極板越聚赿多, 于是，引入外部電路,即可形成電流向外供電。部分電子用外部電路導(dǎo)引至燃料電池陰極板，與催化劑作用下分解出的氧氣離子和到達(dá)陰極板的氫離子結(jié)合生成水,并散出熱量。顯見(jiàn), 氫燃料電池發(fā)電后只生成熱水,無(wú)污染, 還可回收水,利用余熱, 效率高, 且兼具儲(chǔ)氫的作用, 優(yōu)勢(shì)明顯, 宜于海上風(fēng)電制氫應(yīng)用。氫燃料電池的電極中替代目前使用的鉑的最佳催化劑及國(guó)外進(jìn)口的質(zhì)子交換膜，均需國(guó)內(nèi)自主研發(fā)。
海上風(fēng)電制氫可以在制氫平臺(tái)上設(shè)置加氫站, 由制氫裝置直接供氫,為氫動(dòng)力船舶加氫。加氫站的三大核心裝備為氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫裝置和加氫機(jī)。加氫機(jī)主要由高壓氫氣管路及安全附件、質(zhì)量流量計(jì)、加氫槍、控制系統(tǒng)和顯示器等組成。其典型流程圖如下圖所示。加氫機(jī)中的加氫槍目前是自國(guó)外引進(jìn), 尚需研發(fā)；氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫瓶國(guó)內(nèi)己有成熟產(chǎn)品；儲(chǔ)氫罐國(guó)內(nèi)可自主設(shè)計(jì)、建造。
總之，我國(guó)作為海上風(fēng)電大國(guó)、氫能應(yīng)用大國(guó)、海洋資源大國(guó)， 完全能大力發(fā)展海上風(fēng)電制氫，以綠氫助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的。
發(fā)展海洋溫差熱能
海洋溫差指的是海水表面和深層的溫度差,海洋溫差能的源頭是太陽(yáng)能, 因此它屬于海洋熱能。海洋溫差熱能可以轉(zhuǎn)換成電能,海洋溫差熱能發(fā)電是利用海洋水面溫海水(約25 ℃)和 600~900米水深處的冷海水(約5℃)之間溫度差發(fā)電。它不受潮汐變化和海浪影響,可以連續(xù)穩(wěn)定工作，而且不產(chǎn)生空氣污染物或放射性廢料,還帶來(lái)副產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)淡化海水。正由于它具有儲(chǔ)量巨大(專家估計(jì)全球海洋溫度差發(fā)電資源量可達(dá)60萬(wàn)億千瓦)，以及隨時(shí)間變化相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以利用海洋溫差發(fā)電可以提供大規(guī)模的、穩(wěn)定的電力。據(jù)此，筆者認(rèn)為海洋溫差熱能發(fā)電是海洋油氣能源轉(zhuǎn)型中應(yīng)該發(fā)展的重要新能源。
海洋溫差能的熱電轉(zhuǎn)換(OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion),其基本原理是依據(jù)熱工學(xué)的熱力循環(huán)系統(tǒng)理論來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫差能發(fā)電系統(tǒng)按照工質(zhì)和流程的不同可以分為開式朗肯循環(huán)(Open Rankine Cycle)、閉式朗肯循環(huán)((Closed Rankine Cycle)和混合式朗肯循環(huán) (Hybrid Rankine Cycle)三種方式。
第一種方式它采用純海水, 不加工質(zhì)。當(dāng)25 ℃溫海水進(jìn)入真空室(閃蒸器)后，低壓使之發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生低壓水蒸汽,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的高溫水蒸汽進(jìn)入冷凝器,經(jīng)5℃冷海水降溫而冷凝，同時(shí)產(chǎn)生淡水。但因水蒸汽壓力低,汽輪機(jī)工作壓力低，導(dǎo)致汽輪機(jī)尺度大。第二種方式它以氨等低沸點(diǎn)物質(zhì)作為工質(zhì)。溫海水進(jìn)入蒸發(fā)器,通過(guò)熱交換器加熱液態(tài)工質(zhì)使其蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；做功后的蒸汽進(jìn)入冷凝器, 通過(guò)熱交換器，由冷海水降溫而冷凝，冷凝后由工質(zhì)泵送至蒸發(fā)器,開始下一循環(huán)。此種方式不能獲取淡水；但因驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的蒸氣為高壓, 故不需大尺度的汽輪機(jī)，成本降低。第三種是混合式,它吸取了開式和閉式的優(yōu)點(diǎn), 兼具獲取淡水和避免使用大尺度汽輪機(jī)的高經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又采用閉式循環(huán)，效率高，機(jī)械損耗小。
其溫海水閃蒸出的低壓水蒸氣, 不直接送給汽輪機(jī), 而是用于在蒸發(fā)器中加熱工質(zhì)(如液態(tài)氨), 工質(zhì)蒸發(fā)的高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī), 汽輪機(jī)不必增大尺度。蒸發(fā)器內(nèi)冷凝的閃蒸氣,生成淡水。汽輪機(jī)排出的高溫工質(zhì)蒸氣,進(jìn)入冷凝器,冷凝后,由工質(zhì)泵送入蒸發(fā)器, 繼續(xù)循環(huán),形成閉路。筆者認(rèn)為：此種方式應(yīng)為我國(guó)采用的適宜方式。
海洋溫差熱能發(fā)電的關(guān)鍵裝備為泵、汽輪機(jī)、工作平臺(tái)、熱交換器、深水冷水管。其中, 潛水泵等水泵、汽輪機(jī)、板式熱交換器,均為成熟產(chǎn)品。但如,汽輪機(jī)防止外來(lái)物體吸入損害葉片的探測(cè)器以及檢測(cè)工質(zhì)泄漏的傳感器等；還有,板式熱交換器的防止表面附著生物而降低傳熱系數(shù)的最佳方法以及尋求海水環(huán)境下防腐性能良好的材料等, 都需要進(jìn)一步研究解決。至于工作平臺(tái)采用浮式, 宜用半潛式平臺(tái)或浮船(FPSO), 它們的設(shè)計(jì)、建造也比較成熟。
目前需要研究的主要是平臺(tái)與水下長(zhǎng)600~900m、直徑達(dá)5m的泠水管的接口技術(shù),軟管連接、固定連接和萬(wàn)向節(jié)連接等多種方式, 需要優(yōu)化。水下冷水管的選材與制造是關(guān)鍵裝備中的技術(shù)難點(diǎn)。冷水管是管壁處具有一圈環(huán)形空間(保溫用) 的特殊結(jié)構(gòu), 又長(zhǎng), 且管徑大, 如何加工制造？它必須有足夠的強(qiáng)度，以保證30年使用壽命；還要具有良好的保溫性能，以免冷海水溫度升高；并且能有效防止海水腐蝕, 應(yīng)該如何設(shè)計(jì)選材？這些問(wèn)題都還沒(méi)有完全解決，需要研發(fā)。
海洋溫差能發(fā)電在國(guó)內(nèi)外均尚處于研究試驗(yàn)階段,美、法、日位于世界領(lǐng)先水平。美國(guó)在夏威夷2015年8月試發(fā)電成功的100 kW電站，是全球第一個(gè)并入電網(wǎng)的最大的真正的閉式溫差能電站如圖4所示
圖4
我國(guó)國(guó)家海洋局第一海洋研究所的“15 kW溫差能發(fā)電裝置研究及試驗(yàn)”課題，于2012年1月在青島市通過(guò)了驗(yàn)收，使得中國(guó)成為了全球第四個(gè)獨(dú)立掌握海水溫差能發(fā)電技術(shù)的國(guó)家。2023年7月6日，由中海油研究總院主持編制的《50kW海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)工藝包》，獲得了中國(guó)船級(jí)社（CCS）的原則性批準(zhǔn)證書，這是我國(guó)首個(gè)可用于工程設(shè)計(jì)的海洋溫差能發(fā)電工藝包，它標(biāo)志著我國(guó)海洋溫差能研究,正在逐步從理論試驗(yàn)邁向工業(yè)化試驗(yàn)階段, 前景廣闊。
總之, 目前我國(guó)已開始進(jìn)入建設(shè)中國(guó)式現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的新征程, 中國(guó)式的現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，它必須貫徹綠色新發(fā)展理念，大力發(fā)展綠色新能源。本文上述,無(wú)論是風(fēng)能、綠氫能，還是海洋溫差熱能，它們都是可再生、可持續(xù)的綠色清潔新能源，因此,在我國(guó)奔向第二個(gè)一百年的新征程中，一定會(huì)得到充分發(fā)展。
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