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太阳能和风能发电成本的降低将使专用制氢在未来几十年与基于电网和基于化石的制氢竞争，但这也带来了挑战，其中许多挑战可以通过能源岛来克服。
这篇专题文章描绘了DNV的能源岛如何通过支持氢和其他电子燃料生产来支持离网可再生电力的生产和难以减排的行业的脱碳。乐动官网网址
在本文中，我们将能源岛定义为离网可再生能源发电的枢纽，可能包括电力燃料的相关生产。我们希望进一步阐明这一非常有趣的概念，以及我们对其在本世纪中叶发展的看法。我们探索了将能源岛整合到一个努力实现深度脱碳的能源系统中时会是什么样子，我们只关注氢作为一种能源载体。
能源岛可以通过增加可用面积和提高海上可再生能源发电效率来加强能源安全
世界上第一个能源岛计划建在丹麦近海的北海。计划已经酝酿了一段时间，但是乌克兰战争极大地增加了欧洲对能源安全的关注(DNV, 2022)，以及能源岛支持的更大的海上可再生能源发电作为潜在的解决方案。背景是，目前欧洲一半以上的能源需求是由欧洲以外的国家提供的。
进一步发展可再生能源以支持电气化是欧洲能源安全的支柱，减少对进口化石燃料的依赖，例如从使用外国化石能源的汽油车转向使用国内电力驱动的电动汽车。以电力为基础的燃料，如氢，是脱碳能源系统的另一个支柱，许多国家设想在中长期内由可再生能源生产。
根据挪威船级社2021年能源转型展望到2035年，我们将看到80%以上的欧洲电网电力来自可再生能源，这一水平将在本世纪中叶达到全球水平。由于大多数地区的电网在未来十年都没有完全脱碳，因此专门的离网可再生能源生产正在推动绿色氢气生产及其规模扩大。在整个价值链中几乎不排放碳，与基于电网或基于化石的氢相比，由专用离网可再生能源生产的氢具有显著的环境效益。
陆上风力发电场和公用事业规模的光伏发电(PV)受益于成本竞争力，具有广阔的市场潜力，因此非常适合基于可再生能源的氢经济。然而，欧洲等地区人口密集，对能源的需求很高。空间稀缺，陆上风力发电场和公用事业规模光伏发电的可用土地对欧洲许多国家的可再生能源进一步扩张构成了障碍(Diogenes等人，2020年)。海上可再生能源发电是一个解决方案，能源岛可以大规模支持这一方案。如今，海上风电场直接向邻近的大陆供电。将它们安置在更远的地方，并将它们连接到一个基于枢纽的系统中，将增加可用面积并提高效率，使生产者能够从更好的风力资源中收获电力，并将电力分配到最需要的地方。
首先是电气化，然后是制氢
优先考虑的是将电力用于可以选择直接电气化的部门的脱碳。乐动官网网址然而，由于可再生能源的可变性，在某些时候，过剩的电力将会增加，并且将这些过剩的电力用于生产以电力为基础的燃料(如氢气)将是有益的。
从另一个角度来看，对低排放燃料的需求正在增长，特别是那些无法通过电气化实现脱碳的行业。乐动官网网址电力燃料的可用性为这些部门的脱碳提供了一个有前途的替代途径，并得到集中和大规模可再生电力生产的支持。乐动官网网址
能源岛的概念是第一个将专用离网可再生能源用于制氢的例子。虽然欧洲是这一概念发展的领跑者，但其他地区也在研究这一概念，要么是类似于欧洲开发的风能概念(马纳尔湾的泰米尔纳德邦能源岛)，要么是太阳能。欧洲目前正在开发的一些概念首先集中在电网脱碳上，目的是在稍后阶段增加氢气产量。其他能源岛概念将直接集中在离网风力生产氢气。
利用专用(或离网)可再生能源生产氢的强劲前景支撑了能源岛的潜力
能源岛概念的一个明显优势是，有可能大规模生产基于电解的几乎零碳排放的氢，即所谓的绿色氢。支撑这一观点的是专用可再生能源与用于电解制氢的电网电力的前景，能源岛支持用于制氢的专用(或离网)可再生能源的扩展。
DNV预测，太阳能和风能发电成本的降低将使专用制氢在未来几十年与电网制氢和化石制氢竞争。到2030年，我们预测140gw的离网可再生能源将提供全球50%的氢供应(图1)。太阳能和风能几乎平分。
来源:DNV对2050年氢气预测的高级预览数据，将于2022年6月推出。
随着基于电网电力的制氢，市场增长和对绿色氢的日益激烈的竞争将导致运营商通过在电价较低时运行电解来降低可变成本。随着各种可再生能源的不断渗透，这些时间将会增加，从而增加廉价电力的使用人数，并使获取它们的过程复杂化。
除此之外，电网成本和税收占电解运营支出的很大一部分。相比之下，离网可再生能源通过对可再生能源产能的前期投资来替代电力成本，从而降低了未来电价波动的风险。
来源:DNV对2050年氢气预测的高级预览数据，将于2022年6月推出。
Concept得益于将能量传输为电力和分子的灵活性
将可再生能源从生产地运输到消费中心是能源转型中的一个重大挑战，大规模运输存在环境和经济障碍。能源岛可以以电力或天然气的形式(在这种情况下是氢气)运输可再生能源。电力可以被输送到电网，也可以被输送到陆地上更接近消耗的氢气生产基地。它还可以用于能源岛上的海上制氢，然后通过管道输送到邻近的工业园区。
通过管道运输氢气和通过电网运输电力都有各自的优点和缺点来运输脱碳能源，但一般来说，如果所需的最终产品是氢气，管道运输对于长距离运输来说更具成本效益。管道运输也更节省空间，48英寸管道取代了5至9条架空输电线路(欧洲氢干线，2021年)。对于氢能岛来说，以电力和分子形式运输能源的潜力是一个优势——根据距离、基础设施、最终用途和其他考虑因素确定最佳选择。
环境、立法和基础设施方面的挑战需要解决
有一个海洋空间竞赛(DNV, 2021)随着渔业、水产养殖、航运和旅游业与能源行业一道，更多地利用海上资源，这就产生了协调海上基础设施项目的需求。此外，还需要平衡海上开发与环境优先事项，在确定能源岛的位置和规模时，保护自然将是关键考虑因素。然而，从整体环境的角度来看，这些大型项目应对气候变化的潜力可能超过与动物种群、喂养区域和噪音污染相关的局部环境问题。
在近海环境中建造岛屿本身也将是一个挑战，因为它们暴露在稳定而强烈的风、海浪和深水中。这导致与陆上建设大型基础设施项目相比，施工窗口更短。能源岛还需要整个价值链的支持，特别是来自港口的支持——例如，港口将为风力发电场建设提供必要的基础设施，并分配电力或生产的电力燃料。
目前的立法框架没有考虑到能源岛屿。迫切需要一个新的监管框架，特别是如果能源岛要服务于多个电力市场的话。除此之外，将一个能源岛连接到几个具有不同市场规则的市场是一个物理挑战，需要高压直流电网的通用方法(欧洲委员会，2020年)。
电网脱碳和制氢之间的潜在竞争也在政策和监管层面上提出了挑战，例如，欧洲正在进行讨论，如果氢气的生产来源不是单纯为了生产氢气而开发的，那么氢气是否应该被归类为绿色——也就是说，如果制氢消耗的是可再生能源，否则可以帮助电网供应脱碳。
能量岛的多重概念
基于上述在不同市场中普遍存在的驱动因素和障碍，许多能源孤岛概念正在发展。它们有不同的设计——包括天然岛屿和平台——以及不同的用途。大中华区等地区正在优先使用能源岛来生产可再生能源，以实现电网脱碳，而欧洲则专注于电网脱碳和专用制氢。
最初，许多能源岛概念将主要作为电力分配中心。然而，人们越来越需要将可再生能源转化为分子燃料，为工业供暖、海运或航空等几乎没有脱碳替代品的部门提供清洁能源。乐动官网网址因此，在稍后阶段，可将电力集中岛屿的部分可用可再生能源分配给燃料生产。与此同时，其他项目正在计划中，这些项目将立即集中于提供基于电力的燃料。
概念上的另一个区别是电解计划在哪里进行，是陆上还是海上。陆上电解或海上电解的问题不仅仅是分子输运与电子输运的问题。陆上电解提供了在低温范围内利用电解产生的余热的机会，这些余热可被送入区域供热网络，为家庭供暖，同时最大限度地提高电解器的经济产出(Burrin等人，2021年)。
以下是目前正在开发的一些能源岛项目和设置:
人工岛，陆基-北海。首先是电，然后是氢势
位于丹麦海岸以西约100公里处，一个1000平方公里的岛屿和海上风力发电项目正在开发中，到2030年初始容量约为3吉瓦，另外还有7吉瓦的可选扩建。项目成本估计在80亿欧元(3GW)到近300亿欧元(10GW)之间。考虑到其战略位置，该岛将处于有利地位，首先向丹麦家庭输送绿色电力，然后向欧洲大陆和德国等工业中心输送氢气。计划在人工岛上安装数据中心、港口和电解槽等设施。然而，成本的增长可能会导致电解在陆上进行。
天然岛屿，陆基-博恩霍姆:首先是电，然后是氢
一个稍微不同的概念涉及丹麦东南海岸的Bornholm自然岛。在这里，这座天然岛屿计划作为连接约3-5吉瓦海上风电容量的枢纽，并有望将基础设施连接到瑞典、德国和波兰。与丹麦西海岸计划的项目类似，最初的重点是绿色电力，未来可能会额外生产氢或氨等绿色燃料。该项目将于21世纪20年代建成，不迟于2030年上线。目前的成本估计在20亿欧元左右。
天然岛屿，陆地- Helgoland:专注于氢气生产
德国的黑尔戈兰岛将成为连接欧洲大陆的氢枢纽。最初，到2035年，该岛两侧将拥有10吉瓦的海上发电能力，旨在完全用于制氢。生产的氢应使用在黑尔戈兰和航运上的份额。
人工岛屿和平台-瓦登海群岛北部:专注于氢气生产
荷兰的一个计划项目的目标是到2030年拥有400吉瓦的海上风电容量，到2040年完全用于电解，相当于2030年约40万吨氢，2040年约100万吨氢。必要的海上风力发电将安装在荷兰海岸，并首先将绿色电力输送到Eemshaven海岸的电解槽。该装置也将使未来的海上电解成为可能，但这还没有决定。该项目预计耗资90亿欧元，与分布式方法相比减少了20%。
结论:能源岛是扩大可再生电力和可再生制氢的重要支柱
目前大多数能源岛概念都处于构想阶段和发展阶段，它们的最终设置可能会发生变化。在最初阶段，需要政府的大力支持，也需要新的商业模式，直到氢燃料和电子燃料的生产成为可行的选择，并与化石替代品竞争为止。
能源岛的一个显著优势是与不同终端用途的连接，因此可以灵活地为脱碳能源系统提供未来解决方案，可以通过可再生电力、低碳氢、合成燃料(如电力基氨)或以上所有方式。尽管欧洲的大部分重点是与能源岛相连的海上风能，但在世界其他地区，包括太阳能光伏或陆上风能，总体概念可能看起来不同。
在我们即将于6月14日发布的《能源转型展望》报告《到2050年的氢预测》中，我们提出了全面的氢预测，包括生产成本和产量、能源运输和最终用途。
这张图显示了能量岛的简化演化过程。左图显示了第一阶段的主要焦点是网格脱碳。中心图像显示的是第二阶段，主要实现了电网脱碳，剩余电力用于氢和电子燃料生产。正如本文所概述的，有些项目旨在跳过阶段1，直接进入阶段2。右图显示了可能的最后阶段，多个能源岛连接到多个国家，并动态响应不断变化的需求。
参考文献
- Burrin D。罗伊,S。，罗斯基利，a.p.，斯莫波恩，A。(2021)与热网络集成的热和绿色氢(CHH)组合式发电机，能源转换与管理，第246卷
- DNV, 2021年海洋到2050年的未来——2021年蓝色经济的部门和区域预测
- DNV, 2021b 2021年能源转型展望-到2050年和2021年的全球和区域预测
- 乌克兰战争不会破坏欧洲的能源转型
- Diogenes, J.， Claro, J.， Rodrigues, J.， Loureiro, M.(2020)陆上风能实施的障碍:系统综述，能源研究与社会科学，第60卷
- 欧盟利用海上可再生能源潜力实现气候中性未来的战略
- 分析未来氢的需求、供应和运输