利用海浪能生产电子燃料和电子化学品：技术可行性、经济可行性和区域发展机遇

《Energy》：Wave power for e-fuels and e-chemicals production: technical feasibility, economic viability, and regional opportunities

【字体：大中小】 时间：2026年05月03日 来源：Energy 9.4

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　　拉斯尔·萨蒂莫夫 | 德米特里·博格达诺夫 | 乔治·拉维达斯 | 肖娜·佩诺克 | 萨拉·克鲁格 | 本杰明·莱纳 | 克里斯蒂安·布雷耶
LUT能源系统学院，LUT大学，Yliopistonkatu 34，53850 Lappeenranta，芬兰

**摘要**
全球能源转型需要使能源密集型产业和难以减排的交通部门脱碳。由于能量密度限制，直接电气化在这些领域难以实现。基于电力的燃料和化学品（e-燃料和e-化学品）作为一种可行的替代方案出现，它们具有高能量密度，并且与现有基础设施兼容。然而，其生产依赖于大量低成本的可再生能源电力，这对于土地资源有限的地区来说是一个挑战。本研究探讨了波浪能作为生产e-燃料的未充分开发的能源来源，重点关注新西兰、智利和爱尔兰这三个波浪能丰富的地区。利用新开发的优化模型energyHub-LUT，该研究评估了波浪能、太阳能光伏和风能在生产e-燃料和e-化学品方面的技术经济性。结果表明，与陆上风能和太阳能光伏相比，波浪能为e-燃料生产提供更稳定的电力，根据地点不同，可减少25-100%的电池需求。在智利，当波浪能与太阳能光伏和陆上风能结合使用时，生产成本最低，这得益于该地区超过7000小时的满负荷运行时间；但由于较高的资本支出，其竞争力仍低于陆上可再生能源。研究结论认为，即使在满负荷运行时间非常长的地区，波浪能的经济可行性也有限，但它在土地稀缺、大型可再生能源项目难以实施或需要接近基载电力的情况下具有潜力。

**1. 引言**
全球能源转型迫切需要使能源密集型产业和难以减排的交通部门脱碳[1]。虽然电池电动解决方案适用于道路车辆和短途运输，但在需要高能量密度和长续航能力的领域存在显著局限性[2]。基于电力的燃料和化学品（e-燃料和e-化学品）[3] [4] [5]为减少温室气体排放提供了途径，同时满足航空[6] [7]、海洋[8] [9]、化工[10] [11]以及能源密集型产业[12] [13]等领域的高能量密度需求。这些合成e-燃料和e-化学品包括基于电力的费托液体（e-FTL）[14] [15]、e-甲烷[16] [17]、e-氨[18] [19]和e-甲醇[20] [21]，它们通过多步骤过程生产：首先使用可再生能源电力电解水产生氢气，然后通过催化反应将氢气与二氧化碳结合生成液态或气态碳氢燃料，或与氮气结合生成e-氨。通常假设二氧化碳直接从空气中捕获，但也可以从点源捕获[22]，从而使e-燃料和e-化学品在净温室气体排放方面具有环境可持续性。e-燃料和e-化学品有可能成为现有基础设施中化石燃料和化石原料的替代品[23] [24]，尽管某些燃料（如e-氨[19]和e-甲醇[21]）可能需要少量改造或新发动机才能完全集成。此外，e-燃料可以使用现有基础设施储存和运输[5]，使其成为全球能源系统的实际解决方案。然而，这些e-燃料和e-化学品的生产高度依赖于低成本的可再生能源电力，这对于使其在经济上可行至关重要[14] [16] [18] [20]。

扩大e-燃料和e-化学品生产规模的一个关键挑战是可再生能源（RE）资源在全球分布不均，以及重型能源消费者面临的地形限制。例如欧洲和东亚地区（特别是韩国、日本和台湾）缺乏足够的土地来以成本最优的方式在国内生产足够的可再生电力[25]。这种不平衡凸显了需要战略性的位置，作为e-燃料和e-化学品生产的枢纽，将这些能源载体出口到需求较高的地区[3] [26] [27]。

近期研究确定了几个具有成为低成本e-燃料和e-化学品生产全球枢纽潜力的地区，如澳大利亚[27]、智利[28] [29]、埃及[30]、摩洛哥和纳米比亚[31] [32]、肯尼亚、坦桑尼亚和索马里[32]以及伊比利亚[23]，这些地区拥有丰富的可再生能源资源（如太阳能光伏和陆上风能）。这些地区可以提供生产所需的低成本电力，用于水的电解、二氧化碳的直接空气捕获（DAC）和e-燃料的合成，使其适合大规模生产。然而，尽管这些研究在评估陆上可再生能源潜力方面取得了显著进展，但海洋能源（特别是波浪能）的作用仍未被充分探索[33] [34] [35]。波浪能相比风能和太阳能具有更稳定的优势，为连续生产e-燃料提供了理想的条件[36]。尽管如此，大多数关于海洋能源枢纽的研究集中在陆上风能[37] [38] [39]上，而波浪能的研究相对较少。一些研究开始探索波浪能在e-燃料和e-化学品生产中的潜力，例如在英国和爱尔兰[40]、新西兰[41]、夏威夷[42]、马尔代夫[43]和塞舌尔[44]。然而，这些研究主要关注国内能源转型，对于如何在专用离网能源枢纽中大规模利用波浪能生产e-燃料和e-化学品仍存在研究空白。

在波浪能资源丰富的地区，这一研究空白尤为重要。例如新西兰的南岛和智利的马加莱纳斯地区，由于地理位置独特，不受大陆阻碍，能够获得最佳的波浪能资源[45] [46]。智利和新西兰都表现出对可再生能源发展的积极兴趣[47] [48]，使这些地区成为创新的战略焦点。尽管这些地区的偏远位置和缺乏现有基础设施可能带来物流和财务障碍，但这也为开发专注于e-燃料和e-化学品生产的专用能源枢纽提供了“绿地”机会[38] [49] [50]。此外，爱尔兰靠近欧洲需求中心，也是波浪能枢纽的理想选择。

目前缺乏关于波浪能在e-燃料和e-化学品生产枢纽中的研究，本研究旨在填补这一空白，并评估波浪能用于大规模生产e-燃料的可行性。在创新性方面，本研究基于最新研究[34]，该研究认为波浪能在2030年代末可能与陆上风能具有成本竞争力，这一点已在多个地区得到验证[40] [41]。通过结合最新的波浪能研究和关于e-燃料的文献，本研究提供了海洋能源如何为全球能源转型做出贡献的新视角。研究强调了波浪能在e-燃料生产中的技术潜力，并探讨了在资源丰富的地区建立波浪能枢纽的经济影响。

**2. 方法和数据**
本研究的数据来自[34]，该研究评估了距离海岸300公里以内、水深1000米（排除受保护海域）的波浪能资源的全球技术经济潜力。该研究[34]主要基于CorPower Ocean设计的点吸收式波浪能转换器（WEC）的技术和财务假设，全球满负荷运行小时数（FLH）的结果见图1。

**图1. 点吸收式WEC的全球满负荷运行小时数。注：h——小时。**
南半球因不受大陆阻碍的风力作用而拥有丰富的波浪能资源，而北半球则不然。新西兰和智利的南部地区拥有丰富的波浪能资源。爱尔兰靠近欧洲大陆，也是一个可行的选择。

除了丰富的波浪能资源外，这三个地区（新西兰、智利和爱尔兰）还具有很高的地缘政治吸引力，它们都是经济合作与发展组织（OECD）的成员国，且位于政治敏感地区（如南海、中东或北美）之外。

CorPower公司的点吸收式WEC是一种类似浮标的装置，通过系绳固定在海床上，通过与波浪共振产生电力[51] [52] [53]。CorPower公司的WEC具有广泛的运行范围，其功率矩阵见图2。

**图2. CorPower WEC的功率矩阵。注：m——米；s——秒。**
CorPower公司的WEC额定功率为400千瓦，设计为集群运行，总功率输出为10-30兆瓦。在近距离部署多个WEC阵列可能会导致波浪能质量下降，从而影响下游阵列的性能。为缓解这一问题，[34]中的数据设定了15%的面积使用限制，基于Taminiau和van der Zwaan的研究[54]，允许85%的面积保持未使用状态，以便波浪能得到恢复。

**2.1. e-燃料和e-化学品的需求**
分析预测了2050年欧洲和东亚（日本和韩国）的e-燃料和e-化学品需求，假设这些地区已完全转向可再生能源系统，但仍需进口e-燃料和e-化学品[55]。表1中的数据来自[3]。这些地区只能满足部分需求。

**表1. 2050年e-燃料和e-化学品的需求（单位：TWh/LHV）**
| 地区 | e-氨 | e-甲醇 | e-FTL | e-甲烷 | 总计 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 欧洲 | 396 | 212 | 134 | 87 | 422 |
| 东亚 | 396 | 212 | 134 | 87 | 422 |

**2.2. e-燃料和e-化学品的生产潜力**
为了估算e-燃料和e-化学品的生产潜力，研究人员从[34]中获取了在50欧元/兆瓦时的价格阈值下，距离海岸300公里以内、水深1000米以内的波浪能潜力数据（排除受保护海域），并应用15%的面积使用率以允许波浪能恢复。通过将可安装容量乘以每个地区的满负荷运行小时数，计算出潜在的电力产量，进而估算出2050年欧洲和东亚地区e-燃料和e-化学品的生产量及其满足需求的比例。

**表2. 可安装波浪能容量、满负荷运行小时数和电力潜力**
| 地区 | 可安装容量（GW） | FLH | 电力潜力（TWh） | 满足需求的份额 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 新西兰 | 646 | 709 | 458 | 639.0% |
| 智利 | 112 | 701 | 667 | 163 | 9.0% |
| 爱尔兰 | 393 | 575 | 326 | 119.0% |

陆上可再生能源的可安装潜力基于简单假设计算，假设太阳能光伏的安装密度为150兆瓦/平方公里（全球水平辐照度为1000瓦/平方米，预计到2050年光伏效率为30%[56] [50]），风能为8.4兆瓦/平方公里（基于[58]的数据，假设涡轮机间距为7倍转子直径）。新兴研究表明，到2050年光伏模块效率可能超过30%[59] [60]，从而可能减少未来的土地需求。风能的面积需求为总面积，而净面积需求约为总面积的1%[61]。太阳能光伏数据来自[62]。陆上风电的概况基于[58]中的数据。2.3部分。energyHub-LUT模拟使用了新开发的优化模型“energyHub-LUT”，该模型专门用于离网电子燃料和电子化学品的生产的技术经济建模，这些生产过程由可再生能源（RE）来源、电池、多燃料内燃机（ICE）、热泵、电加热器、热能储存、电解器、直接空气捕获（DAC）、燃料/化学品合成单元、燃料/化学品储存单元以及废热利用等技术支持[63]。energyHub-LUT是一个线性规划优化模型，其目标函数是最小化年度总系统成本。(1)其中tech和t分别代表发电和储能技术；Capext、crft、Opexfixt和Opexvart分别代表技术t的资本支出、资本回收因子以及固定和可变运营支出；instCapt代表技术t的装机容量，Egen,t代表技术t的总发电量。该模型确保根据(2)中的公式实现每小时能源供需的平衡，并受到诸如燃料合成单元最小允许负荷等约束的限制。(2)所有包含在黑色方框内的参数都受到优化处理。下载：下载高分辨率图片（542KB）下载：下载全尺寸图片图3. energyHub-LUT线性优化模型的示意图。energyHub-LUT完全使用Matlab开发（在R2024b版本上创建和测试）[64]，依赖于优化工具箱中的“solve”函数，使用“linprog”求解器和“interior-point”算法。在配备Intel Core i5-10210U处理器和16 GB内存的Windows 11机器上，一次优化运行大约需要20分钟。底层源代码在代码仓库中公开提供，同时还有输入文件[65]。

2.4. 场景分析首先，每个地区仅使用波浪能进行建模，以评估仅依靠波浪能系统的性能并确定相关成本。其次，每个地区重新建模为结合太阳能光伏（PV）和陆上风能的混合能源中心，而不是仅使用波浪能。虽然电子燃料的生产目标保持不变，但根据[18]、[20]的设置，太阳能光伏和风能的容量被优化以满足这些目标。这使得可以直接比较每个地点生产电子燃料和电子化学品的成本。最后，每个地区重新建模为结合波浪能、太阳能光伏和陆上风能的混合能源中心。在这种场景中，太阳能光伏和陆上风能的容量被限制在可用土地面积的10%以内，以确定是否有足够的土地来建设所建模的能源中心。表3提供了各种场景的概览及其可再生能源技术的上限。表3. 各场景及其上限。表中显示为“Inf”的条目表示太阳能光伏和风能的上限为无限（无限制）。

2.5. 燃料的平准化成本（LCOF）计算了每种燃料的平准化成本（LCOF），以评估波浪能在每个地点的经济吸引力。LCOF考虑了液体燃料合成单元、甲烷化单元、甲醇合成单元和氨合成单元的资本和运营支出，氢气的平准化成本（LCOH2）、二氧化碳的平准化成本（LCOCO2）以及输入所有燃料合成单元的电力平准化成本（LCOE）。LCOF的计算公式如下。(3)其中f表示燃料类型，Capex表示资本支出，Opex表示合成单元的运营支出，crf表示资本回收因子，Outputf表示燃料f的年总产量。对于电子氨（e-ammonia），CO2f为零。LCOH2的计算公式如下。(4)其中CapexH2和OpexH2分别表示水电解器和氢储存的资本和运营支出，welel表示水电解器消耗的电力，OutputH2表示年总氢产量。LCOCO2的计算公式如下。(5)其中DAC表示直接空气捕获（DAC），DACel和DACel分别表示DAC消耗的电力和热量，LCOH表示热量的平准化成本，OutputCO2表示年捕获量。LCOE的计算公式如下。(6)其中p表示电力单位（波浪能、风能、太阳能光伏、电池），Outputel表示年总发电量。LCOH的计算公式如下。(7)其中h表示产热单元（热泵），Outputhe表示年总热量产量。资本回收因子根据(8)计算。(8)其中WACC表示加权平均资本成本，设定为7%，n表示寿命。此外，还计算了运输成本，以便比较电子燃料和电子化学品在最终目的地的成本。电子氨和电子甲醇的运输成本基于[23]、[24]的数据，并根据相同的研究对电子FTL和电子甲烷的运输成本进行了调整。表4列出了电子氨、电子甲醇、电子FTL和电子甲烷的运输技术和财务假设。

所有技术和经济假设均基于2050年的预测值。关于波浪能的成本假设来自[34]，并在图4中展示，该图预测由于规模经济效应，资本支出将大幅下降。图4显示了到2050年波浪能的资本支出预测。波浪能的资本支出根据[34]中的数据进行了调整，考虑了最佳站点的水深和距离海岸的距离。最佳站点被定义为每个地区专属经济区（EEZ）内LCOE低于50 €/MWh的节点。然后根据LCOE对这些站点进行了加权平均。表5给出了每个地点的波浪能资本支出预测。表5. 2050年波浪能的资本支出预测。假设波浪能的运营成本为资本支出的2.4%，寿命为30年。太阳能光伏、陆上风能、电池和燃料合成单元的资本支出和运营成本在所有地点均相同，详见表6。模拟了两种类型的太阳能光伏电站：固定倾斜式和单轴跟踪式安装。氢储存成本采用了衬砌岩石洞穴[18]、[66]的假设，假设所有研究地点都具备这种类型的储存设施[18]、[67]，以及地下管道储存[68]。储存单元的能源与功率（E/P）比率反映了储存的充放电速率。

3. 结果部分首先展示了energyHub-LUT工具认为在每种场景中最具成本最优的装机容量。随后展示了电力和电子燃料的平准化成本。3.1. 装机容量基于波浪能的能源中心的波浪能装机容量在表2中已预先定义。模型被限制在最大波浪能潜力范围内安装，但可以自由优化电池、水电解器、氢储存和多燃料内燃机的容量，这些信息在表8中给出。表8. 基于波浪能的能源中心中电池、水电解器和氢储存的装机容量。技术电池 [GWhcap]电解器 [GWel]氢储存 [GWhH2,LHV]内燃机 [GW]新西兰059033500智利01034620爱尔兰146352600024由于夏季波浪能电力供应不足，爱尔兰的能源中心安装了大型电池和氢储存设施。值得注意的是，其他站点由于波浪能的稳定输出特性，几乎没有安装电池储存单元。混合光伏-风能能源中心的容量在表9中给出，同时列出了太阳能光伏和陆上风能电站将占用的土地比例。陆上可再生能源安装需要不切实际的大量土地面积来生产与波浪能相当的燃料量。新西兰和智利安装了大型电池和平衡内燃机容量，以应对太阳能光伏和陆上风能的波动性。表9. 基于混合光伏-风能的能源中心的装机容量。技术太阳能光伏 [GW]风能 [GW]% 土地面积电池 [GWhcap]电解器 [GWel]氢储存 [GWhH2,LHV]内燃机 [GW]新西兰1523601254%197368620?57733智利16310210%15211520007爱尔兰56931949%612329963018最后，基于混合波浪能-光伏-风能的能源中心的装机容量在表10中给出。在所有地点，只有当陆上可再生能源达到饱和时才部署波浪能。在这种情况下，混合能源中心中的内燃机容量很少或没有。然而，更多依赖于地下管道氢储存，这种储存方式比岩石洞穴储存更加灵活。例如，新西兰的氢储存从20?260 GWh的岩石洞穴转换为512 GWh的地下管道。有趣的是，新西兰和爱尔兰更倾向于结合波浪能和太阳能光伏系统，这归因于波浪能和太阳能资源的互补性，如补充材料1中的图S1和S7所示。表10. 基于混合波浪能-光伏-风能的能源中心的装机容量。技术波浪能 [GW]太阳能光伏 [GW]风能 [GW]电池 [GWhcap]电解器 [GWel]氢储存 [GWhH2,LHV]内燃机 [GW]新西兰541468006725120智利6.69410611411023504.9爱尔兰24960037385347258003.2. 平准化成本所有情况下的主要能源供应都是电力，整个项目的经济可行性取决于LCOE。南兰德和马加兰内斯地区拥有非常高的FLH（燃料转换效率），这有助于提高燃料转换容量利用率并可能降低LCOF。在调查的地点中，智利的波浪能LCOE最低，为27.7 €/MWh，这也得益于较浅的水域和靠近海岸的资源，如图5所示。S4. 在一个混合波浪能-光伏能-风能发电厂的能源中心设置中，考虑到土地使用的实际限制，智利实现了所有地点中最低的平准化成本（LCOE），仅略高于光伏能-风能的LCOE。在新西兰的波浪能为基础的能源中心中，电力占LCOH的44%，LCOH2的93%，以及LCOCO2的18%，其他地点的比例也类似。因此，LCOH、LCOH2和LCOCO2也遵循LCOE的走势，智利的数值最低（分别为12.8欧元/兆瓦时（MWhth）、43.2欧元/兆瓦时氢（MWhH2，低热值LHV）、58.8欧元/吨二氧化碳（tCO2），而爱尔兰的数值最高（分别为15.5欧元/兆瓦时、57.3欧元/兆瓦时氢（LHV）、69.2欧元/吨二氧化碳）。由于波浪能情景下的LCOE最低，智利提供的电子燃料和电子化学品的LCOF也最低，如图6所示：电子氨的成本为68.5欧元/兆瓦时氢（LHV），电子甲醇为75.9欧元/兆瓦时氢（LHV），电子长距离运输燃料（e-FTL）为98.4欧元/兆瓦时氢（LHV），电子甲烷为69.6欧元/兆瓦时氢（LHV）。

图6. 基于波浪能的能源中心的LCOF。

氢在LCOF中占有较大比例，电子甲醇中占68%，电子甲烷中占78%，这主要是因为氢的成本主要由电力构成，进一步证明了该项目的可行性主要取决于LCOE。电子氨成本中的电力比例受氮气分离装置的影响，这些装置为氨合成装置提供原料。

在混合光伏能-风能的能源中心中，LCOF也遵循LCOE的走势，智利的LCOF最低，如图7所示：电子氨的成本为51.1欧元/兆瓦时氢（LHV），电子甲醇为58.7欧元/兆瓦时氢（LHV），电子长距离运输燃料为76.6欧元/兆瓦时氢（LHV），电子甲烷为54.4欧元/兆瓦时氢（LHV）。电力仍然是LCOH和LCOH2的主要组成部分，分别占40%和85%，但在LCOCO2中的比例降至14%。

图7. 基于混合光伏能-风能的能源中心的LCOF。

在混合光伏能-风能设置中，由于LCOE非常低，LCOH2在LCOF中的比例较小，电子甲醇中占58%，电子甲烷中占73%。由于混合光伏能-风能能源中心的利用率较低，资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）在最终LCOF中的占比略高。新的energyHub-LUT模型得到了证据支持，其估计的电子氨和电子甲醇成本与[18]、[20]中的报告一致。

最后，图8展示了波浪能-光伏能-风能情景下的LCOF。所有地点的LCOF都高于仅使用光伏能和风能的情景，因为该模型首先满足了低成本陆上可再生能源（RE）的10%土地使用限制，然后安装了成本更高的波浪能发电设施。

补充材料包含了所有地点的每小时可再生能源资源、储能单元的充电状态以及水电解器产出的数据，涵盖了波浪能和波浪能-光伏能-风能情景。

4. 讨论
本研究通过探讨波浪能在大规模能源中心中的作用，填补了现有文献的空白。现有文献主要关注太阳能光伏能和风能，而较少涉及波浪能。利用energyHub-LUT模型，本研究评估了波浪能与其他可再生能源来源的技术经济可行性，为电子燃料和电子化学品能源中心的最佳能源组合提供了见解。

4.1. 增强波浪能的能源中心
随着全球能源系统脱碳的需求以及海上能源中心的潜力[37]、[38]、[85]，人们对波浪能的兴趣正在增长[84]。研究发现了一个引人注目的矛盾：虽然太阳能光伏能和陆上风能提供了最低的LCOE和LCOF，但波浪能具有独特的优势，挑战了单纯关注成本的做法。南半球波浪能的高FLH（风能转换效率）为能源中心生产电子燃料和电子化学品并运输到欧洲和东亚的需求中心提供了潜在地点。波浪能相对稳定的电力输出[34]降低了储能需求，提高了水电解器的使用率，从而可能降低LCOE和LCOF。基于波浪能的能源中心不需要电池储能，除了爱尔兰，因为波浪能的电力输出足以满足全年每个小时的电解器、加热装置、DAC装置和燃料合成装置的电力需求。

本研究的结果表明，如果不受土地面积限制，基于太阳能光伏能和陆上风能的能源中心生产的电子燃料的LCOE和LCOF将是所有研究情景中最低的。与同时使用波浪能的系统相比，基于混合光伏能-风能的能源中心的LCOF可降低1-28%。智利提供了成本最低的电子燃料和电子化学品。这与多项研究结果一致，这些研究指出智利（特别是阿塔卡马沙漠和巴塔哥尼亚地区）拥有最佳的太阳能光伏能和陆上风能资源，有望实现最低的LCOE和LCOF[18]、[20]、[29]、[86]。这突显了太阳能光伏能和陆上风能的优势，因为极低的LCOE可以抵消大多数地点波浪能提供的高FLH。这一点也体现在LCOH、LCOH2和LCOCO2上，因为它们都遵循LCOE的趋势。

然而，如表9所示，新西兰和爱尔兰的地点需要不切实际的大面积土地来生产与混合波浪能-光伏能-风能系统在同一地点所能生产的相同数量的燃料。这有利于波浪能，因为并非所有拥有良好可再生能源资源的地点都具备建设太阳能光伏能和陆上风能发电场的土地。新西兰南岛专属经济区（EEZ）的波浪能潜力巨大，拥有大量相对较浅的海域，能够满足欧洲和东亚39%的电子燃料和电子化学品需求。要生产相同数量的电子燃料和电子化学品，陆上可再生能源资源需要南岛面积的254%。

4.2. 运输电子燃料和电子化学品
决定能源中心经济吸引力的一个关键因素是将最终产品运输到需求中心的基础设施。表11显示，使用在线地图软件估算的运输距离突显了爱尔兰靠近欧洲需求中心的优势，而新西兰和智利与需求中心的距离相近。这种邻近性不仅降低了运输成本，也符合欧洲日益增长的能源自主性需求[87]，使爱尔兰成为服务区域市场和增强欧洲能源安全的更具战略性的位置。从爱尔兰到东亚的运输距离是通过北极计算的，假设由于气候变化，到2050年将有新的航运路线出现[55]、[88]。

表11. 运输距离（公里）
技术 | 汉堡（德国） | 韩国和日本 | 新西兰南港 | 普恩塔阿雷纳斯（智利） |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 距离 | 22,000 | 9,600 | 14,200 | 17,150 |

运输成本因燃料类型而异。运输密度更高的燃料（如电子长距离运输燃料e-FTL和电子甲醇）仅会在生产LCOF的基础上增加约1-6%的额外成本。运输气体燃料（如电子甲烷）可能会增加高达13%的额外成本，如图9所示，这使得爱尔兰比新西兰更具竞争力。

图9. 基于混合波浪能-光伏能的能源中心向汉堡（德国）运输的LCOF。

同样，在基于混合光伏能-风能的能源中心中，最低成本电子燃料和电子化学品的来源顺序大致相同，如图10所示，不过爱尔兰的成本比新西兰低3-8%。这些发现为区域能源战略提供了重要见解，表明地理优势可以显著影响电子燃料供应链的可行性，并促进关注区域能源安全的国际合作。

4.3. 敏感性分析
需要重申的是，波浪能的高FLH的经济价值是有限的。如果成本预测成立，尽管需要更大的平衡能力，太阳能光伏能和陆上风能的组合在所有地点都能提供更低的LCOF。进行了一项敏感性分析，以评估成本假设对研究结果的影响，以智利为案例研究。分析重点关注电解器成本，因为氢是所有电子燃料和电子化学品的关键输入，而千兆瓦级电解器尚未广泛部署，导致2050年的成本预测存在较高不确定性。根据BloombergNEF对不太成熟早期市场的估计[89]，电解器资本支出（CAPEX）增加到了1113欧元/千瓦（kWel），比默认假设高出523%。这一变化使波浪能-光伏能情景下的LCOF比光伏能-风能情景低约0.2-2%。随着电解器资本支出增加了5倍以上，波浪能的高FLH价值变得更加突出，因为优化模型优先选择安装较少但容量更高的电解器。然而，这种资本支出的增加导致两种情景下的总LCOF分别上升了超过30%，这对电子燃料与化石燃料的竞争力提出了质疑。BloombergNEF的高资本支出预测反映了一个悲观的未来，即电解器的发展和氢经济可能永远不会实现，电子燃料的成本将一直很高。相比之下，中国的市场数据支持本研究中的默认电解器成本假设[90]。为了创建可行的氢能转换产品市场，需要类似于默认假设的电解器资本支出水平。中国以外的国际市场可能会基于中国的电解器技术和成本水平建立，而其他国家的更高成本技术可能难以实现成本竞争力。

在敏感性分析中，波浪能的成本保持不变，因为其在基准情景下的LCOE已经相对较高，进一步增加其成本不会显著改变研究结论。例如，与其他海上能源资源（如海上风能和海上浮动光伏能[42]、[43]）共享基础设施，其资本支出可能会更低。然而，考虑到它们当前的技术准备情况和缓慢的推广速度，预计到2050年其资本支出不太可能显著降低。同样，广泛部署的太阳能光伏能和陆上风能的成本也保持不变，因为它们得到了多项科学研究的支持[91]、[92]、[93]、[94]，且不确定性较低。

此外，还进行了WACC（加权平均资本成本）的敏感性分析，WACC影响了所有技术。WACC从默认的7%变化到3%、5%和9%，相应的LCOF值如图11所示。WACC的变化并未导致LCOF值的剧烈变化，随着WACC值的增加，LCOF值呈线性增长。系统配置也没有改变，因为模型略微调整了储能单元的安装容量以找到最低的系统成本。

图11. 新西兰基于混合波浪能-光伏能的能源中心中WACC变化后的LCOF。

4.4. 世界上最佳的波浪能地点
本研究未探讨的一个地区是凯尔盖朗群岛，该地区拥有全球最佳的波浪能资源，FLH超过8000。凯尔盖朗群岛位于凯尔盖朗高原上，水域相对较浅，假设使用15%的土地面积，可以在其EEZ内安装多达426吉瓦的波浪能发电设施。理论上，到2050年，凯尔盖朗群岛可以满足欧洲和东亚29%的电子燃料和电子化学品需求。

尽管FLH很高，但凯尔盖朗群岛的LCOF仍然高于本研究中的智利：电子氨的成本为64.0欧元/兆瓦时氢（LHV），电子甲醇为70.4欧元/兆瓦时氢（LHV），电子长距离运输燃料为89.3欧元/兆瓦时氢（LHV），电子甲烷为61.9欧元/兆瓦时氢（LHV）。这些发现强调，即使是全球最高的可变可再生能源资源（FLH），也不能自动保证经济可行性，这突显了资源质量和技术驱动的资本支出之间的复杂相互作用。这些岛屿未被纳入分析的原因是，包括专属经济区（EEZ）在内的所有岛屿都位于法国国家保护区和世界遗产地范围内[95]。4.5. 不灵活的基荷电力消费者能源中心优化结果表明，如果最终能源需求可以通过廉价的储能单元灵活满足，系统会优先选择低成本的陆上可再生能源。在本研究中，所有燃料都被假设具有基荷需求特征；然而，优化模型发现安装储能单元以平衡供需更具成本效益。为了评估波浪能满足真正不灵活能源需求的潜力，模拟了一个新西兰的案例，其中假设的数据中心电力需求取代了电子燃料和电子化学品的需求。由于数据中心电力需求的增长，它们在能源领域受到了越来越多的关注[96]、[97]、[98]、[99]、[100]。此外，高资本支出的数据中心需要全年不间断的电力供应[97]，这通常导致数据中心运营商寻求核能[101]，尽管这可能忽略了该技术的高平准化成本（LCOE）[102]、[103]。鉴于波浪能的高FLH和较低的变异性（如图12所示），这为波浪能提供了机会。下载：下载高分辨率图片（378KB）下载：下载全尺寸图片图12. 新西兰南地的波浪能概况。假设数据中心的年电力需求为8.8 TWh，相当于每小时1 GW的瞬时需求，这与当今建设的大型数据中心相符[104]、[105]。图13展示了南半球冬季（即年中）系统运行情况。下载：下载高分辨率图片（357KB）下载：下载全尺寸图片图13. 新西兰夏季基荷数据中心电力需求下的系统运行情况。该情景的结果显示，模型在尚未充分利用陆上可再生能源潜力的情况下就安装了波浪能。模型通过波浪能（22%）、太阳能光伏（57%）和风能（21%）的混合供应来满足数据中心的基荷需求，并辅以电池和主要使用电子甲烷的内燃机作为平衡选项。该系统的LCOE为29.3 €/MWh，远低于微软与Constellation Energy签订的电力采购协议中承诺支付的核能价格100 €/MWh[106]。这一情景突显了波浪能在直接为不灵活电力消费者提供电力时在成本优化系统中的潜力。换句话说，如果灵活性有限且电力需求直接且迫切，那么波浪能的高FLH就成为成本优化的关键因素。未来研究可以考虑海上浮动能源中心[37]、[107]、[108]，这些中心由于缺乏地下储藏空间而无法使用这种技术，可能会发现整合波浪能的类似好处。另一个感兴趣的应用可能是海水淡化，出于经济原因，淡化也需要接近基荷的电力供应[109]、[110]。淡化厂位于海岸进一步支持了与波浪能的集成。Fasihi和Breyer的早期研究[86]也支持了这一情景的结果，他们评估了基于混合光伏-风能发电厂的基荷电力供应，证明了可再生能源提供可靠且具有成本效益电力的可行性。他们的研究表明，到2050年，使用成本优化的配置，可以使用可变太阳能光伏、陆上风能和平衡技术以33 €/MWh的成本生成基荷电力。本研究添加波浪能后，能够以29.3 €/MWh的更低LCOE提供基荷电力。需要注意的是，两项研究的技术经济假设有所不同，本研究预测陆上可再生能源技术和电池的成本较低。4.6. 限制本研究的一个重大限制是它依赖于对未来成本的预测，尽管这些预测基于科学文献，但仍存在不确定性。另一个限制是未考虑大规模部署波浪能对环境的影响。尽管波浪能通常被认为比化石燃料的环境影响较小[53]（全球变暖潜力为25.1至46.0 gCO2e/kWh，仅为化石燃料发电的23-43分之一），但大规模部署可能会破坏海洋生态系统，尤其是在生物多样性较高的地区。这些影响可能包括沉积物输送的变化、影响海洋哺乳动物的噪音污染或对鱼类迁徙模式的影响。来自全球海洋能源项目[111]、[112]的证据表明，还有其他风险，如临时栖息地干扰、视觉影响和渔业干扰。然而，这些影响通常比海上风电[113]、[114]更为局部且不那么严重。为了确保可持续部署，必须通过积极的选址、适应性设计和参与式规划过程来管理这些风险。尽管如此，用于分析的波浪能潜力数据排除了世界保护区数据库[95]所涵盖的区域。[34]中的基础数据空间分辨率为0.45°，在赤道处大约相当于50公里×50公里，而50公里范围内的波浪条件和水深可能会有显著差异。最后，本研究将波浪能视为解决土地受限地区的方案，但需要注意的是，其他更成熟的技术，如海上风电或浮动海上光伏，可能更适合这些情况。5. 结论本研究探讨了波浪能作为生产电子燃料和电子化学品的有前景但尚未充分探索的资源的潜力，强调了其电力生产模式与太阳能光伏和陆上风电的一致性。结果突显了波浪能稳定输出的价值，这大大减少了储能的需求，并提高了平衡单元和燃料转换单元的利用率，使它们能够在更高的满负荷小时数下运行。然而，研究结果揭示了波浪能面临的主要经济挑战，主要是由于其较高的资本支出和由此产生的较高平准化成本（LCOE）。研究表明，太阳能光伏和陆上风电在所有地区的LCOE较低，从而电子燃料的成本也较低。研究发现，到2050年，新西兰、智利和爱尔兰的混合波浪能-光伏-风能系统的LCOE分别为27.5 €/MWh、17.3 €/MWh和31.0 €/MWh，而这些地区的太阳能光伏和陆上风电的LCOE分别为20.8 €/MWh、17.1 €/MWh和19.8 €/MWh。在智利的PV-风能情景中，最低的燃料成本分别为e-氨51.1 €/MWhLHV、e-甲醇58.7 €/MWhLHV、e-Fischer-Tropsch液体76.6 €/MWhLHV和e-甲烷54.4 €/MWhLHV。这些发现基于对未来成本的预测，尽管这些预测基于科学文献，但仍存在不确定性。研究得出结论，仅从经济角度来看，基于波浪能的能源中心在电子燃料和电子化学品生产方面无法与成本更低的陆上可再生能源资源竞争，即使其满负荷小时数超过7000小时。尽管太阳能光伏和陆上风电的平衡能力更强，但在所有调查地区，它们在经济上更具可行性。这些技术的较低LCOE，加上更快的部署时间和较低的技术风险，使它们更适合大规模生产。尽管如此，波浪能的经济劣势部分被其空间优势所抵消。在土地可用性受限的地区，大规模太阳能光伏或风能安装所需的巨大地理占地面积往往不现实。在这种情况下，波浪能作为一种替代方案变得越来越有吸引力，因为它可以在不竞争陆地用途的情况下实现大规模海上生产。然而，它仍然面临来自更成熟的海上技术（如海上风电和浮动海上光伏）的竞争，这些技术可能更适合土地受限的环境。此外，当灵活性有限时，波浪能的稳定电力输出成为一个显著优势。然而，全面评估波浪能对不灵活需求的适用性仍然是未来研究的领域。CRediT作者贡献声明Dmitrii Bogdanov：写作——审稿与编辑、验证。Rasul Satymov：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。Shona Pennock：写作——审稿与编辑、验证、调查、概念化。George Lavidas：写作——审稿与编辑、验证。Benjamin Lehner：写作——审稿与编辑、验证。Sarah Kluge：写作——审稿与编辑、验证。Christian Breyer：写作——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目行政、方法论、资金获取、概念化。生成式AI使用声明在准备这项工作时，通讯作者使用了Meta AI的大型语言模型Llama来校对和提高手稿的可读性。使用该工具后，作者根据需要进行审稿和编辑，并对发表文章的内容负全责。

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