为了实现这些目标，必须要建设海上风电，而且要快。绿氢的生产需要电解槽、太阳能和风力发电场以及清洁的水，每生产1千克氢大约需要10升水。除此之外，PtX系统还生产甲烷、甲醇、合成电子燃料和氨。为了使这些绿色产品具有竞争力，这些生产地点的发电成本必须要低，并且必须在大部分时间以接近满负荷的能力发电。海上风电场可以满足这两个标准。在欧洲和日本等人口密集地区，可以通过海上风电场为靠近沿海的需求中心生产至少一部分氢气，降低运输成本。此外，海上的风速通常更高、更稳定，可以实现持续高产出。成本节约将来自几个方面。通常情况下，海上的风电只需被转换成直流电一次，然后用于电解水。水源就在海上平台周围，需要做的就是海水淡化和净化。相比之下，海上风力发电产生的电力通常需要多次转换和长距离传输，才能进入岸上的电网或电解装置，在此过程中会有电力损耗，降低效率。另一方面，通过管道从海上输送氢气比较容易。甲醇和氨等PtX产品甚至比氢气更容易运输，无论是通过管道还是船舶。我们的H2Mare项目有几个主要目标。我们正在进行必要的详细分析，最终确定海上制氢和其他燃料是否具有经济意义和技术可行性。如果有，具体该怎么做？最佳设备配置、距离、产量等是多少？我们虽然不打算建造一个全尺寸的海上PtX生产平台，但确实计划在远海的驳船上建造一个测试平台，以及在陆上测试电解系统装置。我们要回答的最重要的问题之一是：在海上生产PtX设施的最佳方式是什么？为了生产燃料或氨等产品，需要为这些设施提供氢气或者电力；在后一种情况下，PtX平台将通过电解淡化海水来生产氢气。但是，如果是其他平台为PtX设施供应氢气，问题就变成了：生产氢气的最佳方式是什么？我们可以为每一台生产氢气风力涡轮机配备PtX设施，或者可以在一个单独的平台上，组合多台风力涡轮机的电力生产氢气，然后供应给PtX平台。事实证明，前一种方案更好。另一个重要问题是如何实现这些兆瓦级风电制氢岛的稳定生产以及PtX岛的自动运行。无论是否生产氢气或PtX产品，这些生产岛都不会直接与陆上的电网相连，它们需要独立可靠地运行。考虑到这些平台必须在急剧变化的环境中运行，这并不容易。海上的天气在大风、暴风雨和偶尔的平静中交替变化，有时从一种变化到另一种变化只需几分钟。这意味着风力涡轮机的发电量会有很大的变化。结果是，向各种设施供应的电力和氢气会有很大变化。这种变化会给电力系统带来压力。因为没有连接电网，这些平台基本上将作为孤立的小型电网运行，因此必须处理突发的电涌。而在风停了很长一段时间后，化工厂和其他海上设施将必须在没有外部电力的情况下重新启动。这就是所谓的“黑启动能力”。在一个孤立的自动化微小电网中，还没有一个标准的过程，所以我们在试图设计一些。例如，我们正在考虑使用哪种电池，以及如何设计化学过程，从而可靠地重新启动设施。电解槽也必须选择在海上动态环境中性能最佳的。工业电解有3种主要类型，这种情况下，其中的质子交换膜（PEM）是理想的选择。质子交换膜电解槽可在几分钟内启动，并能处理快速的负载变化。作为H2Mare的一部分，我们正在设计和建造专门用于海上场景的质子交换膜电池，并希望很快对它们进行测试，看看它们在电力急剧变化时的表现如何。我们发现过程控制将发挥重要作用。与涡轮机相连的各个电解槽需要控制，确保它们均匀地老化，并且总停机时间保持在最低限度。我们现在的实验目的是找到最有效的运行模式。例如，了解电解槽的废热是否可以用于海水淡化，以及这些热量是否足够满足整个工厂的运行条件。H2Mare还将研究管理小岛电网的初部策略。如果电解槽意外停机，会出现什么情况？为了防止电网崩溃，将多余的电能非常迅速输送到哪里？反过来说，如何设计电解槽来应对风力减弱和电力供应突然中断？为了回答这些问题，我们打算在未来两年内建造并运行一个带有海水淡化系统的5千兆瓦电解槽的陆上测试系统。在测试中，我们将再创建一个海上环境，包括海上的风况。对于发电和电解系统以及PtX设施，最重要的研究目标是找出如何在动态环境、孤立和自动化的情况下稳定运行。当能量和反应物持续供应时，化学过程通常是最有效的。但在海上，它们将不可避免地发生波动。我们正在开发的概念是使用电池或储氢系统来平缓波动。诀窍在于将这些缓冲器的成本保持在最低水平。另一种可能性是模块化设计，并行模块彼此协调启动或关闭。卡尔斯鲁厄理工学院的能源实验室2.0是我们大部分PtX研究的大本营。该实验室拥有各种与能源相关的研发设施，包括可再生能源发电、能源存储和PtX，以及智能家居和电动汽车基础设施。在H2Mare项目中，它作为干船坞：在这里，我们使用海上风电场的典型功率特性运行PtX电厂原型，在瞬态条件下和孤岛模式下，模拟其最佳运行。与此同时，西门子能源公司正在推进为海上风力涡轮机开发商业电解系统的计划。根据目前的估计，该公司第一个集成制氢功能的风力涡轮机原型可能在2026年下水，容量从几百兆瓦到千兆瓦规模的商业项目将会在出现这个十年末。如果一切进展顺利，海上制氢可以帮助我们快速、大规模地向气候中性能源过渡，这是实现2040年的目标所需要的。我们预计，商业规模自给自足的PtX生产岛将具有现实的可能性，但最早要等到2040年才能实现。它们的外表和功能是否与我们在本文中描述的完全一样，在很大程度上取决于从H2Mare以及欧洲和其他地方的类似项目中获得的知识。作者：Matthias Muelle, Roland Dittmeyer
