我国海洋油气能源需要转型，转型的目的是贯彻我国的新发展理念，实现绿色发展，提供绿色清洁能源。我国的油气能源怎样转型？它是由我国能源结构的特点所决定的。根据中国石油经济技术研究院发布的数据,2022年我国各项能源一次消费结构占比为:煤炭56.2%、石油17.9%、天然气8.5%、非化石能源17.4%。显然,煤炭及石油占比过大。因此，目前我国能源的转型，就是要大力发展化石能源中相对清洁的天然气，提高其占比，来替代煤炭及石油，大力降低煤的占比，从而赢得时间来研发更加清洁的绿色新能源，提高其在能源消费中的占比。
 
那么,结合我国海洋油气产业的特点，应该发展哪些新能源呢？笔者认为，应该是“三个发展”,首先是利用海上风能优势，大力发展风能发电：其次是利用海洋风电优势，大力发展风电制氢；再有是充分挖掘海洋水面与水下温度差的潜力，大力发展温差热能发电。这三者是海洋油气能源转型中应该发展的新能源。这三项新能源的发展都需要一定的时间。以非化石能源为例，整个“十二五” 的五年期间，它在能源消费中的占比，才仅仅提高了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。由此可见，发展新能源、替代化石能源，需要时间是比较长的，但其发展速度会赿来越快，以2022年为例，我国非化石能源发电量占比已达36.2% ，超过了三分之一，前景非常广阔。
 
发展二次能源氢能
 
氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的；而煤、石油、天然气等化石能源,因可直接开采，故称其为一次能源。绿氢因属于全产业链清洁，故被誉为终极清洁能源。
 
氢能需要发展,首先是因为它具有突出的自身优点。诸如, 资源丰富, 若将海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍；重量最轻, 密度 0.0899g/l，为能源中最轻者；导热性好, 导热系数比大多数气体高出10倍；发热值高, 3.05 kJ/l，是汽油的3倍；易于燃烧；利于环保, 燃烧时最清洁, 只生成水和少量氮化氢；运输方便；利用率高；应用多元。
 
其次, 因为它具有宽广的应用领域。如图所示, 氢能以工业和交通为主要应用领域，在建筑、发电等领域也正在探索应用。它的用途多样, 如在交通领域, 无论是公路汽车、铁路机车, 还是水路船舶，以至航空飞机，均可以氢燃料电池取代现用的内燃机驱动，而航天火箭则可以用液体氢作为液体燃料驱动；电力领域则可用氢气或与天然气混合燃烧驱动燃气轮机发电；还可加超高压至几百个大气压,转化成固态金属氢化物,制成构件,应用于建筑领域。在工业领域则如下图所示, 以氢合成氨制取化肥占比最大；钢铁冶炼工业, 因其排碳严重，约占我国总碳排放量的15%,故而向炼铁高炉中喷氢气取代部分焦碳燃烧, 也是工业中应用氢的重要方面。
 
再有, 因为它具有方便的制备条件。海上气田可直接用天然气制氢采用蒸汽转化法, 将天然气中甲烷与通入的水蒸气作用后，生成一氧化碳及氢，即：CH4(g)+H2O(g) →CO(g) +3H2(g), 第二阶段再输入水蒸气与一氧化碳作用生成二氧化碳与氢，即：CO(g)+ H2O(g) → CO2(g)+ H2 (g), 最后，吸附净化，输出氢气。此外, 海上油气田均可利用便捷的海上风电, 采用电解水法制氢。以碱为工质的碱水电解法制氢原理如图所示, 在充满氢氧化钠的电解槽中通入直流电，水分子分解成氢离子H+与OH-离子, 氢离子茌电解槽阴极处获得四个电子, 与之结合成氢原子后,化合成分子氢, 产生出氢气, 在阴极处的化学反应式为： 4H2O+4e-=2H2↑ +4OH- ；而帶负电荷的OH-离子移动到阳极处,失去四个电子,结合成水及氧分子,氧气排出, 在阳极处的化学反应式为 ：4OH--4e-=2H2O+O2↑。产出的氢及氧气均需经液气分离、洗涤净化及冷却,
当然,发展氢能还有不少挑战难题, 诸如安全保障、降低成本以及部分装备的国产化等问题, 均需进一步研发解决。
 
发展海上风电制氢
 
海上风电制氢可以生产绿氢, 作为海洋油气产业应该大力发展。海上风电场的核心装备是风电平台。近海浅水采用固定式平台；远海深水采用浮式以半潜式平台为主, 如下图1所示。平台基座上安装风机， 风机由浆叶、塔柱、齿轮箱、发电机等组成。各风机的直流电汇集到升压站, 升鬲电压、变成交流, 通过海底电缆进入电网。
 
图1
 
海上风电制氢的开发模式现用的有三种。海上风电+岸上制氢是第一种, 即将风电传输至岸上制氢站制氢。其优点是制氢及储运安装维护方便；但海底电缆较输气管道建设运维成本高，且传输损耗大。第二种模式是：分布式海上制氢+管道输氢。分布式指的是将制氢分布到每一个风电平台上，每个平台上均有一套制氢装置, 如.下图2所示。图2
所有平台制出的氢汇总后通过海底管道输出。这种模式的突出优点是，一个风机平台的制氢发生故障，其他照常运转产氢。另外，输氢管道较电缆建设的成本低。第三种模式是：集中式海上制氢+管道输氢。此种模式是将各个风电平台产生的电，通过集电海缆，汇集到一个总的制氢平台上制氢，制出的氢气由输气管道输出。下图为我国自主设计建造的首座浮式诲上制氢平台“东福一号”，图3所示， 它在2023年6月2 图

日于福建兴化湾获得海试成功。当然, 对于海沣油气行业来说, 将现有海上油气平台改造成为制氢平台，更能降低成本。
 
此外, 对于海上气田, 笔者还提出一种模式, 即：集中式海上制氢+天然气管道掺氢输送。此种模式不仅实现制氢、输氢, 而且还可减少天然气的碳排放, 一举三得, 可供采纳。鉴于2023年4月16日，中石油发布：用现有天然气管道长距离输送氢气技术获得突破,目前，这条管道中的掺氢比例已达到24% 。实践表明：笔者提出的这种海上气田风电制氢的开发新模式是可行的。
 
海上风电制氢的输出方式, 除直接用输氢管道之外, 还有三种方式。第一种是：“电能+氢能”共享输出方式。它如图所示, 通过共享的一条脐带缆, 将輸氢管道与风电电缆一起送出。第二种方式 是：海上制氢站+运输船输出氢气方式。它如图所示, 将全部风电汇集到海上制氢站，制氢后充装在氢瓶组中, 吊装至运输船上, 海运至码头。 
  
第三种方式是：海上制氢站+加氢站+氢能船舶。如下图所示, 它将海上风电制出的氢气，在海上加氢站为船用氢燃料电池加氢，提供船舶绿氢动力，从而实现“零排放的绿色航运。显然,它适用于远海。 综观上述, 因管道工程建设周期长, 成本高；氢动力船舶尚待研发, 故笔者认为：海上制氢站+运输船输出氢气方式,目前在技术和经济上均具优势，应该是现阶段我国宜于采用的方式。    
 
氢燃料电池是将氢气的化学能直接转换成电能的发电装置，同时,它也是除储氢瓶、罐之外的可移动式储氢装置。它的制备如下图所示。将氢气送入燃料电池的阳极板，在催化剂作用下, 氢分解成氢离子和电子，氢离子（质子H+）通过质子交换膜，到达燃料电池阴极板，而电子不能直接通过质子交换膜，只能在阳极板越聚赿多, 于是，引入外部电路,即可形成电流向外供电。部分电子用外部电路导引至燃料电池阴极板，与催化剂作用下分解出的氧气离子和到达阴极板的氢离子结合生成水,并散出热量。显见, 氢燃料电池发电后只生成热水,无污染, 还可回收水,利用余热, 效率高, 且兼具储氢的作用, 优势明显, 宜于海上风电制氢应用。氢燃料电池的电极中替代目前使用的铂的最佳催化剂及国外进口的质子交换膜，均需国内自主研发。
 
海上风电制氢可以在制氢平台上设置加氢站, 由制氢装置直接供氢,为氢动力船舶加氢。加氢站的三大核心装备为氢气压缩机、高压储氢装置和加氢机。加氢机主要由高压氢气管路及安全附件、质量流量计、加氢枪、控制系统和显示器等组成。其典型流程图如下图所示。加氢机中的加氢枪目前是自国外引进, 尚需研发；氢气压缩机、高压储氢瓶国内己有成熟产品；储氢罐国内可自主设计、建造。
 
总之，我国作为海上风电大国、氢能应用大国、海洋资源大国，                                                          完全能大力发展海上风电制氢，以绿氢助力实现“双碳”目标的。
发展海洋温差热能
 
海洋温差指的是海水表面和深层的温度差,海洋温差能的源头是太阳能, 因此它属于海洋热能。海洋温差热能可以转换成电能,海洋温差热能发电是利用海洋水面温海水(约25 ℃)和 600~900米水深处的冷海水(约5℃)之间温度差发电。它不受潮汐变化和海浪影响,可以连续稳定工作，而且不产生空气污染物或放射性废料,还带来副产品优质淡化海水。正由于它具有储量巨大(专家估计全球海洋温度差发电资源量可达60万亿千瓦)，以及随时间变化相对稳定的特点，所以利用海洋温差发电可以提供大规模的、稳定的电力。据此，笔者认为海洋温差热能发电是海洋油气能源转型中应该发展的重要新能源。
 


海洋温差能的热电转换(OTEC，Ocean Thermal Energy Conversion),其基本原理是依据热工学的热力循环系统理论来实现。温差能发电系统按照工质和流程的不同可以分为开式朗肯循环(Open Rankine Cycle)、闭式朗肯循环((Closed Rankine Cycle)和混合式朗肯循环 (Hybrid Rankine Cycle)三种方式。
 
第一种方式它采用纯海水, 不加工质。当25 ℃温海水进入真空室(闪蒸器)后，低压使之发生闪蒸，产生低压水蒸汽,驱动汽轮机，带动发电机发电。做功后的高温水蒸汽进入冷凝器,经5℃冷海水降温而冷凝，同时产生淡水。但因水蒸汽压力低,汽轮机工作压力低，导致汽轮机尺度大。第二种方式它以氨等低沸点物质作为工质。温海水进入蒸发器,通过热交换器加热液态工质使其蒸发，蒸发产生的高压蒸汽，驱动汽轮机帶动发电机发电；做功后的蒸汽进入冷凝器, 通过热交换器，由冷海水降温而冷凝，冷凝后由工质泵送至蒸发器,开始下一循环。此种方式不能获取淡水；但因驱动汽轮机的蒸气为高压, 故不需大尺度的汽轮机，成本降低。第三种是混合式,它吸取了开式和闭式的优点, 兼具获取淡水和避免使用大尺度汽轮机的高经济效益优势，同时又采用闭式循环，效率高，机械损耗小。
 
其温海水闪蒸出的低压水蒸气, 不直接送给汽轮机, 而是用于在蒸发器中加热工质(如液态氨), 工质蒸发的高压蒸汽驱动汽轮机, 汽轮机不必增大尺度。蒸发器内冷凝的闪蒸气,生成淡水。汽轮机排出的高温工质蒸气,进入冷凝器,冷凝后,由工质泵送入蒸发器, 继续循环,形成闭路。笔者认为：此种方式应为我国采用的适宜方式。
 
海洋温差热能发电的关键装备为泵、汽轮机、工作平台、热交换器、深水冷水管。其中, 潜水泵等水泵、汽轮机、板式热交换器,均为成熟产品。但如,汽轮机防止外来物体吸入损害叶片的探测器以及检测工质泄漏的传感器等；还有,板式热交换器的防止表面附着生物而降低传热系数的最佳方法以及寻求海水环境下防腐性能良好的材料等, 都需要进一步研究解决。至于工作平台采用浮式, 宜用半潜式平台或浮船(FPSO), 它们的设计、建造也比较成熟。
 
目前需要研究的主要是平台与水下长600~900m、直径达5m的泠水管的接口技术,软管连接、固定连接和万向节连接等多种方式, 需要优化。水下冷水管的选材与制造是关键装备中的技术难点。冷水管是管壁处具有一圈环形空间(保温用) 的特殊结构, 又长, 且管径大, 如何加工制造？它必须有足够的强度，以保证30年使用寿命；还要具有良好的保温性能，以免冷海水温度升高；并且能有效防止海水腐蚀, 应该如何设计选材？这些问题都还没有完全解决，需要研发。
 
海洋温差能发电在国内外均尚处于研究试验阶段,美、法、日位于世界领先水平。美国在夏威夷2015年8月试发电成功的100 kW电站，是全球第一个并入电网的最大的真正的闭式温差能电站如图4所示
 
图4
 
我国国家海洋局第一海洋研究所的“15 kW温差能发电装置研究及试验”课题，于2012年1月在青岛市通过了验收，使得中国成为了全球第四个独立掌握海水温差能发电技术的国家。2023年7月6日，由中海油研究总院主持编制的《50kW海洋温差发电系统工艺包》，获得了中国船级社（CCS）的原则性批准证书，这是我国首个可用于工程设计的海洋温差能发电工艺包，它标志着我国海洋温差能研究,正在逐步从理论试验迈向工业化试验阶段, 前景广阔。
总之, 目前我国已开始进入建设中国式现代化强国的新征程, 中国式的现代化是人与自然和谐共生的现代化，它必须贯彻绿色新发展理念，大力发展绿色新能源。本文上述,无论是风能、绿氢能，还是海洋温差热能，它们都是可再生、可持续的绿色清洁新能源，因此,在我国奔向第二个一百年的新征程中，一定会得到充分发展。