我國海洋油氣能源需要轉型，轉型的目的是貫徹我國的新發展理念，實現綠色發展，提供綠色清潔能源。我國的油氣能源怎樣轉型？它是由我國能源結構的特點所決定的。根據中國石油經濟技術研究院發布的數據,2022年我國各項能源一次消費結構占比為:煤炭56.2%、石油17.9%、天然氣8.5%、非化石能源17.4%。顯然,煤炭及石油占比過大。因此，目前我國能源的轉型，就是要大力發展化石能源中相對清潔的天然氣，提高其占比，來替代煤炭及石油，大力降低煤的占比，從而贏得時間來研發更加清潔的綠色新能源，提高其在能源消費中的占比。
 
那么,結合我國海洋油氣產業的特點，應該發展哪些新能源呢？筆者認為，應該是“三個發展”,首先是利用海上風能優勢，大力發展風能發電：其次是利用海洋風電優勢，大力發展風電制氫；再有是充分挖掘海洋水面與水下溫度差的潛力，大力發展溫差熱能發電。這三者是海洋油氣能源轉型中應該發展的新能源。這三項新能源的發展都需要一定的時間。以非化石能源為例，整個“十二五” 的五年期間，它在能源消費中的占比，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，發展新能源、替代化石能源，需要時間是比較長的，但其發展速度會赿來越快，以2022年為例，我國非化石能源發電量占比已達36.2% ，超過了三分之一，前景非常廣闊。
 
發展二次能源氫能
 
氫能是一種二次能源，它是通過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。綠氫因屬于全產業鏈清潔，故被譽為終極清潔能源。
 
氫能需要發展,首先是因為它具有突出的自身優點。諸如, 資源豐富, 若將海水中的氫全部提取出來，它所產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；導熱性好, 導熱系數比大多數氣體高出10倍；發熱值高, 3.05 kJ/l，是汽油的3倍；易于燃燒；利于環保, 燃燒時最清潔, 只生成水和少量氮化氫；運輸方便；利用率高；應用多元。
 
其次, 因為它具有寬廣的應用領域。如圖所示, 氫能以工業和交通為主要應用領域，在建筑、發電等領域也正在探索應用。它的用途多樣, 如在交通領域, 無論是公路汽車、鐵路機車, 還是水路船舶，以至航空飛機，均可以氫燃料電池取代現用的內燃機驅動，而航天火箭則可以用液體氫作為液體燃料驅動；電力領域則可用氫氣或與天然氣混合燃燒驅動燃氣輪機發電；還可加超高壓至幾百個大氣壓,轉化成固態金屬氫化物,制成構件,應用于建筑領域。在工業領域則如下圖所示, 以氫合成氨制取化肥占比最大；鋼鐵冶煉工業, 因其排碳嚴重，約占我國總碳排放量的15%,故而向煉鐵高爐中噴氫氣取代部分焦碳燃燒, 也是工業中應用氫的重要方面。
 
再有, 因為它具有方便的制備條件。海上氣田可直接用天然氣制氫采用蒸汽轉化法, 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電, 采用電解水法制氫。以堿為工質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電子, 與之結合成氫原子后,化合成分子氫, 產生出氫氣, 在陰極處的化學反應式為： 4H2O+4e-=2H2↑ +4OH- ；而帶負電荷的OH-離子移動到陽極處,失去四個電子,結合成水及氧分子,氧氣排出, 在陽極處的化學反應式為 ：4OH--4e-=2H2O+O2↑。產出的氫及氧氣均需經液氣分離、洗滌凈化及冷卻,
當然,發展氫能還有不少挑戰難題, 諸如安全保障、降低成本以及部分裝備的國產化等問題, 均需進一步研發解決。
 
發展海上風電制氫
 
海上風電制氫可以生產綠氫, 作為海洋油氣產業應該大力發展。海上風電場的核心裝備是風電平臺。近海淺水采用固定式平臺；遠海深水采用浮式以半潛式平臺為主, 如下圖1所示。平臺基座上安裝風機， 風機由漿葉、塔柱、齒輪箱、發電機等組成。各風機的直流電匯集到升壓站, 升鬲電壓、變成交流, 通過海底電纜進入電網。
 
圖1
 
海上風電制氫的開發模式現用的有三種。海上風電+岸上制氫是第一種, 即將風電傳輸至岸上制氫站制氫。其優點是制氫及儲運安裝維護方便；但海底電纜較輸氣管道建設運維成本高，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風電平臺上，每個平臺上均有一套制氫裝置, 如.下圖2所示。圖2
所有平臺制出的氫匯總后通過海底管道輸出。這種模式的突出優點是，一個風機平臺的制氫發生故障，其他照常運轉產氫。另外，輸氫管道較電纜建設的成本低。第三種模式是：集中式海上制氫+管道輸氫。此種模式是將各個風電平臺產生的電，通過集電海纜，匯集到一個總的制氫平臺上制氫，制出的氫氣由輸氣管道輸出。下圖為我國自主設計建造的首座浮式誨上制氫平臺“東福一號”，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。當然, 對于海灃油氣行業來說, 將現有海上油氣平臺改造成為制氫平臺，更能降低成本。
 
此外, 對于海上氣田, 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。此種模式不僅實現制氫、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，中石油發布：用現有天然氣管道長距離輸送氫氣技術獲得突破,目前，這條管道中的摻氫比例已達到24% 。實踐表明：筆者提出的這種海上氣田風電制氫的開發新模式是可行的。
 
海上風電制氫的輸出方式, 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, 通過共享的一條臍帶纜, 將輸氫管道與風電電纜一起送出。第二種方式 是：海上制氫站+運輸船輸出氫氣方式。它如圖所示, 將全部風電匯集到海上制氫站，制氫后充裝在氫瓶組中, 吊裝至運輸船上, 海運至碼頭。 
  
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，提供船舶綠氫動力，從而實現“零排放的綠色航運。顯然,它適用于遠海。 綜觀上述, 因管道工程建設周期長, 成本高；氫動力船舶尚待研發, 故筆者認為：海上制氫站+運輸船輸出氫氣方式,目前在技術和經濟上均具優勢，應該是現階段我國宜于采用的方式。    
 
氫燃料電池是將氫氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置，同時,它也是除儲氫瓶、罐之外的可移動式儲氫裝置。它的制備如下圖所示。將氫氣送入燃料電池的陽極板，在催化劑作用下, 氫分解成氫離子和電子，氫離子（質子H+）通過質子交換膜，到達燃料電池陰極板，而電子不能直接通過質子交換膜，只能在陽極板越聚赿多, 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陰極板的氫離子結合生成水,并散出熱量。顯見, 氫燃料電池發電后只生成熱水,無污染, 還可回收水,利用余熱, 效率高, 且兼具儲氫的作用, 優勢明顯, 宜于海上風電制氫應用。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外進口的質子交換膜，均需國內自主研發。
 
海上風電制氫可以在制氫平臺上設置加氫站, 由制氫裝置直接供氫,為氫動力船舶加氫。加氫站的三大核心裝備為氫氣壓縮機、高壓儲氫裝置和加氫機。加氫機主要由高壓氫氣管路及安全附件、質量流量計、加氫槍、控制系統和顯示器等組成。其典型流程圖如下圖所示。加氫機中的加氫槍目前是自國外引進, 尚需研發；氫氣壓縮機、高壓儲氫瓶國內己有成熟產品；儲氫罐國內可自主設計、建造。
 
總之，我國作為海上風電大國、氫能應用大國、海洋資源大國，                                                          完全能大力發展海上風電制氫，以綠氫助力實現“雙碳”目標的。
發展海洋溫差熱能
 
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能, 因此它屬于海洋熱能。海洋溫差熱能可以轉換成電能,海洋溫差熱能發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℃)之間溫度差發電。它不受潮汐變化和海浪影響,可以連續穩定工作，而且不產生空氣污染物或放射性廢料,還帶來副產品優質淡化海水。正由于它具有儲量巨大(專家估計全球海洋溫度差發電資源量可達60萬億千瓦)，以及隨時間變化相對穩定的特點，所以利用海洋溫差發電可以提供大規模的、穩定的電力。據此，筆者認為海洋溫差熱能發電是海洋油氣能源轉型中應該發展的重要新能源。
 


海洋溫差能的熱電轉換(OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion),其基本原理是依據熱工學的熱力循環系統理論來實現。溫差能發電系統按照工質和流程的不同可以分為開式朗肯循環(Open Rankine Cycle)、閉式朗肯循環((Closed Rankine Cycle)和混合式朗肯循環 (Hybrid Rankine Cycle)三種方式。
 
第一種方式它采用純海水, 不加工質。當25 ℃溫海水進入真空室(閃蒸器)后，低壓使之發生閃蒸，產生低壓水蒸汽,驅動汽輪機，帶動發電機發電。做功后的高溫水蒸汽進入冷凝器,經5℃冷海水降溫而冷凝，同時產生淡水。但因水蒸汽壓力低,汽輪機工作壓力低，導致汽輪機尺度大。第二種方式它以氨等低沸點物質作為工質。溫海水進入蒸發器,通過熱交換器加熱液態工質使其蒸發，蒸發產生的高壓蒸汽，驅動汽輪機帶動發電機發電；做功后的蒸汽進入冷凝器, 通過熱交換器，由冷海水降溫而冷凝，冷凝后由工質泵送至蒸發器,開始下一循環。此種方式不能獲取淡水；但因驅動汽輪機的蒸氣為高壓, 故不需大尺度的汽輪機，成本降低。第三種是混合式,它吸取了開式和閉式的優點, 兼具獲取淡水和避免使用大尺度汽輪機的高經濟效益優勢，同時又采用閉式循環，效率高，機械損耗小。
 
其溫海水閃蒸出的低壓水蒸氣, 不直接送給汽輪機, 而是用于在蒸發器中加熱工質(如液態氨), 工質蒸發的高壓蒸汽驅動汽輪機, 汽輪機不必增大尺度。蒸發器內冷凝的閃蒸氣,生成淡水。汽輪機排出的高溫工質蒸氣,進入冷凝器,冷凝后,由工質泵送入蒸發器, 繼續循環,形成閉路。筆者認為：此種方式應為我國采用的適宜方式。
 
海洋溫差熱能發電的關鍵裝備為泵、汽輪機、工作平臺、熱交換器、深水冷水管。其中, 潛水泵等水泵、汽輪機、板式熱交換器,均為成熟產品。但如,汽輪機防止外來物體吸入損害葉片的探測器以及檢測工質泄漏的傳感器等；還有,板式熱交換器的防止表面附著生物而降低傳熱系數的最佳方法以及尋求海水環境下防腐性能良好的材料等, 都需要進一步研究解決。至于工作平臺采用浮式, 宜用半潛式平臺或浮船(FPSO), 它們的設計、建造也比較成熟。
 
目前需要研究的主要是平臺與水下長600~900m、直徑達5m的泠水管的接口技術,軟管連接、固定連接和萬向節連接等多種方式, 需要優化。水下冷水管的選材與制造是關鍵裝備中的技術難點。冷水管是管壁處具有一圈環形空間(保溫用) 的特殊結構, 又長, 且管徑大, 如何加工制造？它必須有足夠的強度，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, 應該如何設計選材？這些問題都還沒有完全解決，需要研發。
 
海洋溫差能發電在國內外均尚處于研究試驗階段,美、法、日位于世界領先水平。美國在夏威夷2015年8月試發電成功的100 kW電站，是全球第一個并入電網的最大的真正的閉式溫差能電站如圖4所示
 
圖4
 
我國國家海洋局第一海洋研究所的“15 kW溫差能發電裝置研究及試驗”課題，于2012年1月在青島市通過了驗收，使得中國成為了全球第四個獨立掌握海水溫差能發電技術的國家。2023年7月6日，由中海油研究總院主持編制的《50kW海洋溫差發電系統工藝包》，獲得了中國船級社（CCS）的原則性批準證書，這是我國首個可用于工程設計的海洋溫差能發電工藝包，它標志著我國海洋溫差能研究,正在逐步從理論試驗邁向工業化試驗階段, 前景廣闊。
總之, 目前我國已開始進入建設中國式現代化強國的新征程, 中國式的現代化是人與自然和諧共生的現代化，它必須貫徹綠色新發展理念，大力發展綠色新能源。本文上述,無論是風能、綠氫能，還是海洋溫差熱能，它們都是可再生、可持續的綠色清潔新能源，因此,在我國奔向第二個一百年的新征程中，一定會得到充分發展。