海上风电多路径能量转换与储运（电力、氢气和甲醇）的 techno-economic 评估

《Ocean Engineering》：Techno-economic assessment of offshore wind multi-path energy conversion and storage-transport: electricity, hydrogen, and methanol

　　雷攀|丁云飞|王玉轩|庞毅|陈建伟|景彦伟|邱海波|高瑞|张丽阳 天津城建大学控制与机械工程学院，中国天津 摘要 将海上风能高效转化为氢气或氢载体，以满足能源需求并创造市场价值，已成为关键的研究焦点。本研究开发了一个统一的建模框架，用于涵盖电力、氢气和甲醇的多路径能源转换与传输，通过混合整数线性规划确定最佳容量配置。在此基础上，提出了一种基于安装容量和单位重量参数的权重评估方法，以验证在海上平台部署多路径能源系统的可行性。此外，还建立了一个整合生产、储存和传输阶段的平准化成本评估框架。量化市场收入以比较三种途径的经济性能，并进行了敏感性分析，以评估市场价格和传输距离对盈利能力的影响。结果表明，甲醇生产途径的平准化成本为1.22元人民币/千克，大约是氢气生产途径的五分之一。通过管道运输甲醇的利润率达到了91.8%，年利润为7.53×10^8元人民币，分别是氢气管道运输、氢气海运和海底电缆输电途径的1.29倍、1.33倍和4.8倍。对于运输而言，当距离低于75公里时，管道运输更具成本效益；而当距离超过100公里时，海运更具经济性。在价格波动的情况下，当甲醇的平准化成本为3元人民币/千克时，海运在经济上处于劣势，而管道运输与海底电缆输电仍然具有成本竞争力。当甲醇售价达到6元人民币/千克或更高时，甲醇途径显示出相对于其他所有替代途径的显著利润优势。 引言 中国的“双碳”目标推动了海上风电的快速发展，这已成为提高非化石能源消费份额和保障国家能源安全的关键战略。根据中国国家能源管理局发布的产业发展计划，预计到2025年中国海上风电的累计装机容量将超过30吉瓦，到2030年将达到150吉瓦（曹等人，2024年；陈和林，2022年；裴等人，2025年）。这些预测凸显了其在推进国家能源转型中的战略重要性。作为中国的核心能源消费地区，广东省拥有优越的沿海风能资源和完善的产业链，促进了其海上风电产业的快速发展。目前，该地区的海上风电累计装机容量已超过1200兆瓦，并且仍在增长（钱等人，2024年；张等人，2024年）。在这种背景下，高效利用海上风电及相关经济问题已成为该领域的研究重点。 目前，海上风电主要通过海底电缆传输到陆地电网。然而，随着装机容量的扩大，这种传输方法面临着高昂的建设、运营和维护成本、较大的传输损耗以及由风电输出波动引起的风电削减风险（彭等人，2025年）。为了缓解这些挑战，提出了海上氢气生产作为一种可行的解决方案。在各种氢气生产技术中，质子交换膜（PEM）电解槽因其成熟的技术、良好的适应性以及对风电输出波动的适应能力以及紧凑的结构而被广泛使用。此外，氢气的储存和调节能力可以减少对电力传输的依赖，并避免风电削减风险，这增加了人们对海上风电到氢气途径的关注（Albalawi等人，2025年）。 在此背景下，先前的研究从技术经济和系统拓扑的角度分析了海上氢气生产途径。Fan等人（2025年）提出了一个技术经济建模框架，并将其应用于英国南威尔士的海上氢气生产系统，旨在通过最小化氢气的平准化成本（LCOH）来优化系统容量配置。他们的结果表明，成本降低和效率提升可以显著提高此类系统的技术可行性。Ibrahim等人（2022年）提出了基于氢气相对可用性的合作策略，以平衡氢气储存系统的充电状态，提高氢气供应效率并降低运营成本。Rezaei等人（2024年）选择了澳大利亚的八个风电场作为案例研究，开发了一个考虑风电场损失和电解槽动态效率的技术经济模型。研究结果表明，电力输入分布和超载运行策略对系统的能源消耗和利用效率有显著影响。在“快速发展”情景下，某些站点的LCOH预计到2040年将降至约3澳元/千克，而“缓慢发展”情景则无法实现成本目标。这些研究结果表明，氢气途径可以在一定程度上缓解海底电力传输的约束。然而，氢气的储存和运输仍然成本高昂，并带来安全风险。 因此，后续研究进一步将这些能源载体纳入分析，以评估氢气及其衍生物的应用可行性，从而能够系统地比较不同储存和传输途径在经济可行性和运营适应性方面的表现。Baniamerian等人（2025年）提出了一个集成能源储存和传输系统，该系统使用压缩空气、氢气和氨作为能源载体，将电力传输与能源储存相结合。结果表明，不同的能源载体具有不同的适用场景：氨气适用于中长距离和高功率传输，氢气适用于长距离和中功率传输，压缩空气适用于中等规模场景，这还显著减少了陆地储存的需求。Franco等人（2021年）对多种海上风电到氢气的输出途径进行了技术经济评估，包括压缩氢气的管道运输以及液态氢的海上运输。