近期，中国科学院广州能源研究所能源战略与低碳发展研究室蔡国田研究员团队在海上风电物质流和技术经济评估研究方面取得系列进展。科研团队通过建立高时空分辨率的技术经济和物质流评估模型，充分讨论了海上风电制氢等消纳路径的经济性和技术潜力，揭示了中国海上风电扩张过程中对关键材料（如铜、永磁体）的需求量与新型海上废弃物产生量的变化过程。
研究建立了考虑技术经济参数演变和海底三维地形的高分辨率（0.25经度* 0.25纬度）技术经济评估模型，揭示了2025-2050年中国海上风电制氢的成本演变过程与深水海上风电场的最优布局方案。研究指出，中国海上氢的平准化成本将从2025年的50.28 CNY/kgH2下降至2050年的26.60 CNY/kgH2，2050年海上风电制氢的总潜力为434-493Mt，其中漂浮式风电制氢占54%。多种技术情景下的分析结果表明，中国海上风电制氢将于2030年在局部地区（福建省、辽宁省等）内与陆地可再生能源制氢相比具有成本竞争力，并在2050年具备广泛的经济可行性。研究表明汇集输电的方式可以有效减少用海面积，使投资成本最多可下降65%，其中海底地形是深水风电场并网不可忽略的因素。
图1. 中国海上风电制氢的成本演化过程
图2. 粤东深水区风电并网的空间布局优化方案
除此之外，研究提出了空间化、存量驱动中国海上风电高分辨率（1km*1km）物质流分析方法，建立了结合动态物质流和生命周期评价的清洁能源转型关键材料流动模型，揭示了中国海上风电发展和广东省清洁能源转型过程的物质-能量-排放关系。研究指出，到2060年中国海上风电的原材料累计需求为96-140 Mt，废弃物产生量为6.5-48 Mt，净能源回报为2.9-12 PWh，可减少温室排放2.9-9.7 Gt。研究表明中国海上风电对铜和永磁材料的累计需求分别为3.8-5.2 Mt和55-140 kt，关键材料的稳定供应与报废叶片的回收是实现海上风电进一步发展的前提。
图3. 中国海上风电物质流分析结果
研究还指出，广东省的清洁能源转型使总材料的存量从1980年的2.9 Mt增加到2018年的45.6 Mt，并将于2050年达到95.7 Mt。清洁能源转型过程中风电和核能的大规模扩张会导致水泥和钢铁的用量急剧增加，全生命周期的总碳排放将逐渐下降，但能源基础设施的隐含碳排放会增加至6.06 Mt/yr。
图4. 广东省清洁能源转型的隐含碳排放量和总排放量
以上研究成果提出了高时空分辨率的海上风电评估模型，明确了海上风电扩张过程中材料-能源-排放关系与海上风电制氢技术经济潜力，为海上能源综合利用提供了新思路与理论依据。
研究得到国家重点研发计划（课题号：2022YFB3304503）、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金资助项目（项目编号DNL202024）、中国科学院战略性先导科技专项（任务编号No.XDA/29010500）等项目资助。相关研究成果相继发表于Renewable and Sustainable Energy Reviews (Spatial and temporal evolution of cost-competitive offshore hydrogen in China: A techno-economic analysis, http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2024.114780, 第一作者博士生周洲，通讯作者蔡国田), 《自然资源学报》（《海上深水区风电场并网的空间布局优化——以粤东地区为例》，http://dx.doi.org/10.31497/zrzyxb.20220406，第一作者硕士毕业生高丽萍，通讯作者蔡国田），Resources, Conservation and Recycling (Spatiotemporally explicit pathway and material-energy-emission nexus of offshore wind energy development in China up to the year 2060, http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106349; Modeling waste generation and end-of-life management of wind power development in Guangdong,China until 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105533;第一作者博士毕业生陈毓暑，通讯作者蔡国田),Journal of Cleaner Production (The material implications and embodied emissions of clean power transition in Guangdong,China from 1978 to 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138512,第一作者博士生白如雪，通讯作者蔡国田) 等期刊。