数字储能网讯：在全球气候治理框架下，能源系统低碳转型已成为国际社会共同关注的战略议题。作为全球贸易体系的关键支撑结构，航运业年度化石燃料消耗量达2亿t石油当量，占运输领域碳排放量的13%，占全球人为碳排放总量的2.9%。国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）提出到2040年航运业减排70%的目标。甲醇作为新兴的绿色船舶燃料，其体积能量密度（15.6兆焦/升）显著高于液氢（8.5兆焦/升）和液氨（11.5兆焦/升）。此外，相比氢的极低温储存挑战和氨的毒性风险，甲醇凭借其常温常压液态储运及无毒无害的优势，在船舶燃料转型中展现出更强的应用潜力。因此，发展绿色甲醇对推动航运业可持续发展、助力全球碳减排具有重要意义。然而，由于船舶本体的体积限制，海上运输行业面临着对航运途中加注绿色醇类燃料的迫切需求。
建立海上能源岛是解决上述问题的潜在路径。海上能源岛的概念最早由Dominic Michaelis于2007年提出，当初的概念构想是建设一个巨型的海上漂浮式平台，并在其上布置多套风力涡轮机、太阳能收集器、波浪能利用装置等装置，形成类似于小型岛屿的能源生产基地。随着时间的推移，这一概念得到了不断的丰富和发展，但业界尚未就海上能源岛的定义达成共识。本文提出海上能源岛的概念如下：海上能源岛是在海洋上建设，可依托于现有的自然岛屿，或依托于新建的人造岛屿，集成海上风电、海水制氢（氨/醇）和储能等多种能源转换利用装置，从而为岛屿居民、沿海城市、海洋平台或者海洋船运提供清洁能源供给。其与传统海上漂浮式平台的不同之处在于：
（1）在建设方式上，海上能源岛通常基于自然岛屿或人工填岛，部分设施可延伸至漂浮结构，而传统海上漂浮式平台通过锚链或缆绳固定，完全漂浮于海上；
（2）在功能定位上，海上能源岛面积较大，可侧重于多能集成与综合利用，而传统海上漂浮式能源平台造价较高、面积较小，往往更侧重于单一能源开发。2017年，欧洲输电系统运营商进一步提出能源岛作为海上风电的电力汇集枢纽，丹麦的Bornhold能源岛项目成为首个实践案例。荷兰于2023年9月启动伊丽莎白公主能源岛项目，该岛整合直流与交流输电技术，成为首个兼具风电场连接、电力存储及跨国输电功能的能源枢纽。
当前阶段的海上能源岛项目多集中于电能的单一形态，尚未涉及氢、氨等能源的制备。随着能源低碳转型，海上能源岛的功能从单一发电向多能互补转变。2024年11月，中广核牵头启动国内首个海上综合能源岛创新平台，重点攻关海水制氢、氢氨醇储运等关键技术，并计划示范验证500千伏柔性直流输电与大容量漂浮式风电技术。2025年3月，国家能源集团氢能科技公司与中集来福士集团合作的首个海洋氢氨醇一体化项目建设完工，正式开启了海上能源岛多能融合时代。
电-碳-氢-醇海上综合能源岛是指通过整合海水淡化、电解制氢、空气碳捕集和甲醇合成系统，在海上风电场周边形成能源转换枢纽，直接为船舶提供液态甲醇燃料补给。该类能源岛包括三重优势：
（1）实现能源就地消纳，通过海上绿色甲醇生产规避电能长距离传输过程中的损耗，解决输电高成本问题；
（2）可以作为海上能源枢纽，满足海上来往船舶燃料加注需求；
（3）构建碳循环，碳捕集技术将大气CO2转化为燃料原料，配合绿色甲醇替代传统船用燃料，可同步减少温室气体排放，对海洋与大气环境保护具有双重效益。
电-碳-氢-醇协同的海上综合能源岛形态
在电-碳-氢-醇的海上综合能源岛形态下，“电”指漂浮式海上风电产生的绿电、“氢”指由绿电通过电解水制氢转化而来的绿氢、“碳”指海上直接碳捕集技术捕获的CO2、“醇”指通过氢和碳合成反应产出的绿色甲醇产品。
电-碳-氢-醇协同的海上综合能源岛形态如下图所示。首先，漂浮式海上风电场将风力转化为绿电，电化学储能系统用于吸收风电大发时段电解制氢系统无法消纳的功率，并在风电不足时段释放电能；其次，海水通过提升泵进入海水淡化纯化模块，完成淡化与纯化流程后，通过PEM电解槽系统发生分解反应产生氢气和氧气，氢气经分离、除氧、干燥后进入氢气压缩机，加压后进入储氢罐；再次，海上直接碳捕集装置提供合成甲醇的碳源，捕集的CO2直接进入合成甲醇系统，与储氢罐输送的氢气反应生成甲醇并存储于甲醇储罐中；最后，借助甲醇加注系统，实现对海上船舶的甲醇燃料补给。
↑ 电-碳-氢-醇协同的海上综合能源岛形态
该形态通过将绿电、绿氢、绿醇以及碳捕集技术灵活协同，实现了以下3方面意义：
（1）显著提升深远海风电消纳效率，为海洋可再生能源大规模应用提供解决方案；
（2）构建碳循环体系，实现负碳排放，为我国“双碳”目标的顺利达成提供强有力支撑；
（3）构建海上绿色燃料供应链，解决国际航运业绿色燃料补给难题，为全球航运业低碳转型注入变革性动力。
电-碳-氢-醇协同的海上综合能源岛关键技术
● 漂浮式海上风力发电技术
海上风电基础在海上风力发电中起到关键的支撑作用，提供了稳定的平台并抵御海洋环境中的波浪、潮汐和风力等外部力量。海上风电基础技术主要涉及固定式基础和漂浮式基础两种类型，不同平台适应不同的水深条件，以最大化利用风能资源，解决土地限制问题，并降低对环境的影响。固定式基础通过桩基结构等方式固定在海底，包括重力式、单桩式、三脚架式以及导管架式基础，适用于水深较浅的海域（50米）。半潜式基础相对于其他漂浮式基础型式，在稳定性、抗风能力、适应深水等方面具有显著的优势，同时较为适宜于100米水深以下的海域。本文选用漂浮式基础中的半潜式基础。
● 电解制氢技术
电解制氢是电-碳-氢-醇协同中的核心技术，目前主要包括碱性电解槽（Alkaline water electrolysis，AWE）、质子交换膜电解槽（Proton exchange membrane water electrolysis，PEM）、阴离子交换膜电解槽（Anion exchange membrane water electrolysis，AEM）和高温固体氧化物电解槽（Solid oxide electrolysis cell，SOEC）等技术。AWE发展较为成熟，在全球电解水制氢市场中占比约90%，其优点是成本较低；缺点是负荷调节范围相对较窄，且动态响应速度慢，不适用于海上风电的强波动性。PEM发展迅速，近年来市场份额逐步提升，其优势在于电解效率高，且启动速度快，可快速响应电力波动，更加适应海上能源岛风光出力波动较大等场景；但缺点是质子交换膜和贵金属催化剂成本高，导致整体投资成本比AWE高2～3倍。AEM和SOEC是新兴技术，处于研发和示范阶段。在海上风电制取绿色甲醇的场景中，本文采用PEM技术，原因在于该技术可凭借秒级动态响应能力，高效适配海上风电的剧烈波动性，减少弃风损失并提升制氢效率，且占地面积较小。
● 碳捕集技术
碳捕集技术主要包括4类：燃烧前捕集、燃烧后捕集、富氧燃烧以及直接空气捕集技术。燃烧前捕集指通过气化燃料生成合成气并分离高浓度CO2，适用于新建气化设施，能耗较低但改造成本高；燃烧后捕集直接从燃烧烟气中分离低浓度CO2，技术成熟且兼容现有电厂，但能耗和成本较高；富氧燃烧是以纯氧助燃生成高浓度CO2烟气，捕集效率高且可改造传统电厂，但制氧能耗大且技术尚未完全成熟。前两者均需要传统的工业排放源，后者也需要燃烧过程，均不适宜于深远海场景。目前海上碳捕集主要靠直接空气捕集（DAC）技术。该技术直接从大气中捕获CO2，无需依赖固定排放源，适合海上孤岛式能源系统。虽然成本较高，但海上风电可以提供低价的可再生能源，降低DAC的能耗成本。
● 合成甲醇技术
目前绿色甲醇主要有2种生产途径：（1）生物质甲醇，利用生物基原料生产；（2）绿电制甲醇。由于海上特殊的情况，仅考虑绿电制取甲醇。绿电制甲醇主要以CO2为原料，其技术路线分为：（1）绿电制绿氢耦合CO2制甲醇；（2）CO2电催化还原制甲醇。其中，CO2电催化还原制甲醇工业化尚存一些关键性挑战，相比之下CO2加氢制甲醇被证明是最具可实施性和规模化的路线。
