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本帖最后由 晨枫 于 2021-11-6 20:13 编辑
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世界海上风电资源丰富，中国不是“最富矿”，但还是很有潜力的
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2 w. W+ a& u$ z$ b; Z) p; \ T中国也已经开始海上风电建设了，江苏干得不错，广东、福建也可以，辽宁差一点，山东有点太风平浪静了' H4 I; ]- }5 @6 A2 @
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风电在陆地上有景观和鸟类保护的问题，征地也不容易，大力发展有限制。风大的地方也常常偏远，输电是个问题。但海上没有征地问题，离岸几公里、几十公里外，海鸟显著减少，而海上风力、风速稳定，有利于风力发电，在常年大风的丹麦、德国海岸，已经大量使用。& v1 f4 k5 ^9 X$ \
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' l, L+ |* z5 g7 o( J1 d海上风力发电在德国、丹麦已经很普及 m1 q8 L# Y) b7 a
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海上风力发电的主流还是直接坐落在海底的。这基本上就是把陆地风电直接搬到浅海，用长管桩或者钢架塔作为基座，一般水深不能超过50米。; N3 C; m2 l+ `! T
- B9 C# G+ m$ ]0 j% x但浅海是可遇而不可求的，有的海域风力资源很好，但水深较大。浅海也一样是航运要道。离岸距离近，也有海岸景观问题。海景房面对一片无穷无尽的风车，有些人可能就不乐意了。海上风电需要向深水发展。! h/ F& e2 T* l1 P; _9 L
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海上风电必须向深水发展，向浮动海上风电发展
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' ]. P8 i. }: K! w. O4 Z浮动风电大体有张力索、半潜式和桩柱体形式。张力索式在底部附体有几个向外延伸的支架腿，用张力索与海底的锚桩连接。浮体有强烈上浮的趋势，靠张力索拉住在固定的深度，张力索是张紧的，所以风车近似固定平台。半潜式把风车安装在半潜平台上，沉重的半潜平台深入水中，很少受到风浪的影响，相当稳定。半潜式也有锚索，但是松弛的，只需要不使平台飘走，并不需要精确固定的一个位置和方向上。海上石油平台就是这样的。第三种主要方式是桩柱体，也是半潜的，但宽厚的半潜体换成很长的空心柱体深入水下，深度越大，稳定性越好。锚索也是松弛的。
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8 r6 |7 p5 J! t. b, T, J5 S8 ]" u海上钻井平台就是半潜式的
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$ ?4 g" G6 ]9 C2 n美国海军的FLIP就是浮动的观测平台，像正常的船一样开到地方，然后竖立起来，形成特别稳定的观测平台) M. h5 b& }( C) R/ ]
( u, {- b( G( r& S: S张力索式相当于固定的，所以风车底部的浮体的深度和方向都是固定的，风车就像陆地风车一样运作，用机电控制转向迎风方向。但持续的张力可能导致张力索疲劳，也可能导致海底的锚桩松动，现在用的少了。4 y. N; w' o4 u0 K' c, z) ]9 w
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: q5 i0 @* v& o用绷紧的张力索拉住拼命往上浮起的浮筒结构，浮筒结构就相当于固定的，并不能自然扭动，风车就相当于陆地风车了7 s8 r& G4 F9 j( C: f
+ l) W8 Z! {0 l$ l5 Z半潜式是现在的主流，一方面有现成的海上钻井平台的设计、制造和使用经验，另一方面使用条件较好，寿命较长，还可能利用半潜平台安装其他设备。半潜平台有很大的水下部份，耐波浪性好，只要平台足够大，升沉和摇晃的问题不大。
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但风车受到的风力影响大，在风压下，有明显的倾斜，需要在设计上补偿。比如说，风车柱在上风方向，半潜框架在下风方向，
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2 ]) |1 z" d% P; T- {风车承受的风压导致自然向下风方向倾倒的趋势，要么半潜框架巨大，要么需要在下风方向加宽，用浮力顶住倾倒趋势，增加稳定性
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不过半潜平台真是浮动的，需要解决风车指向迎风方向的问题。这可以用动力稳定，用电动螺旋桨不时调整方向，海上钻井平台就是这样的原理，可以做到非常高的精度，但设备和控制比较复杂。另一个办法是用风向标的原理，自然指向迎风方向。比较奇思妙想的一个思路是用双风车。
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在风车部署中，需要拉开足够间距，才能使得上风方向的风车不把下风方向的风车的风力“吃掉”太多，最好是横排，大家遮挡不遮挡。6 F9 ~1 |# g5 ^
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! r) d! [5 T' Q/ T典型风车阵的左右间距较小，前后间距较大，就是为了避免风车之间“抢风”( X4 [; L& g9 L7 b/ e! x! `
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从这个思路出发，反过来利用上风风车更加“抢风”的机制，将横列的风车自然转向迎风和“吃风”均匀的方向，可以解决迎风转向的问题。如果风力从左前方来，左风车出力更大，右风车出力不足，形成自然的逆时针旋转方向。反之亦然。在变换的风向中，左右风车会自然补偿，直到两边出力均匀的时候自然停下。海上风电不需要精确指向迎风方向，这样的自然稳定非常适合，只需要在海底单点系留就可以了，一个锚桩的施工比多个要简单、低成本。
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如果这样的自然转向不够迅捷，还可用左右风车的桨距控制辅助。桨距大略可看作桨叶与旋转盘面的迎角。桨距为零的时候，风车就和门板无异了，一点不会出力。桨距90度的时候，桨叶完全“顺风”，也不出力。桨叶只有在一定的夹角范围内才能有效出力。双风车时，上风风车的桨距减小，出力增加；下风风车的桨距增大，接近“顺风”状态，出力降低，就可把浮架转向迎风方向。风机本来就有自动桨距控制，用于补偿自然风力忽高忽低时的出力变化，与迎风转向控制相结合，在技术上不难做到。
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双风车也可以用浮架，比半潜式还要简单，吃水浅，深水浅水都可应用。
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4 J, s! C0 }# w& k2 E" b这样的双风车不仅一个半潜结构就可安装两台风车，还能在风力下自然地转向迎风方向
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1 _# Z# L5 J. S0 I; }" l- T这里与上图的设计略有不同，双风车是单点安装的，但原理一样。这是小尺度模型，在风浪测试中的数据表明，放大到工程尺度后，可承受30米高巨浪5 H# F+ c- y) t+ Y+ u
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同样概念还可以加大半潜结构，将双风车扩大到多风车，如这里的四风车和七风车。所有半潜结构都利用起来了，没有专为稳定性的额外结构，而且共享输电设施# e7 U6 u7 R H9 E( m3 ^
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加大的半潜平台便于容纳直升机平台和控制、生产设施，比如安装海水制氢和储氢装置
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更大的浮岛风电也是做得到的，还可利用高底层风力，结构更加稳定，不过对结构强度的要求很高，但也真可以和海水养殖结合在一起了
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但大型海上结构一定是要考虑抗风浪的。浮架的简单是有条件的，这条件就是浮架不能太宽大，否则结构在风浪下的弯折应力很大，常年使用的疲劳很厉害，强度要求很高，这是浮架越大，难度和成本越大。
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另一方面，水下十几米的波浪影响就很小，几十米一下就基本上没有影响了。这就是半潜式发挥优势的地方了。与浮架不同的是，半潜式的浮体主要沉没在水下，水上只有很少的架构。这使得半潜式平台很少受到波浪影响，结构的弯折应力和疲劳问题大大降低。如果采用单点安装，半潜式平台也容易与双风车相结合，在结构和迎风转向方面都容易解决。
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半潜式的主要浮体都在水下，受风浪的影响较小，应力和疲劳问题较小
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8 }1 |8 ]8 t6 Q: b3 w但半潜式与浮架相比，风压下的倾斜问题有点不好解决。浮架的浮体在水面上，受到风压时，下风方向的浮体被压入水中，排水量增加，自然帮助恢复水平。但半天式的浮体主要在水中，有没有风压，排水量都差不多，所以向下风方向增大浮体结构都没有多大作用。水的密度是随深度增加的，但半潜式的浮体要利用到这样的密度差，平台已经倾斜得不成样了。
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一个办法是大大加深半潜体，好比在陆地上打深桩。另一个办法是用深鳍，用水压抵御风压，像帆船的龙骨鳍一样。" l2 I8 Y4 u/ F3 L# X( G
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帆船的龙骨下常有很深的鳍* a! ^: u K% A9 b
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% ]1 F9 T5 Z+ A& k5 M/ s8 q这是用来在侧风时用水压抵御横倾的
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当然，也可以直接用桩柱体一举两得。桩柱与单点安装的双风车相结合，连迎风转向的问题都解决了
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还可以用主动控制解决，容许一定的倾斜，用风机“抬头”来补偿桨叶平面不垂直与风力的问题。这个在技术上不难做到。: B: v3 s9 ]# ], j. @8 |
' C" R# i, @" m5 J垂直风机当然就没有了迎风转向的问题，还有发电机和变速箱都在底座的好处，便于安装和检修，重心低，但垂直风机的捕获效率较低，与传统风机没法相比，周期性的加载、减载也使得叶片的疲劳问题也更加严重。) I L& m" m h7 X8 `' B. y
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垂直风机当然就没有迎风转向的问题，但捕获效率也低. ~( P; W* k P0 v1 K; O1 M& u
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海上风电的问题解决了，还要解决海上输电问题。海上风电场一定有一个汇集点，把各风机的电力集中起来，输往大陆入网。风电底部与汇集点之间是漂浮电缆，容许风机有一定的漂移。这容易做到，电缆上在一定的位置绑上一定数量的浮子就可以了。漂浮电缆可悬浮在水下，免受风浪和过往船只的影响。细细的电缆会洄游的鱼类也不是问题，不过海上风电区内的捕鱼作业会有所限制。- q. T) Y T( r. W5 @1 Q% W5 [
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汇集点可以放在海底，也可以放在浮架上，后者更加便于检测和维修。汇集点可以有多个，避免单点故障导致系统瘫痪。- [1 Q" l" i+ T2 i
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/ B. ?' R' ^$ N; p+ Y% L. J海上风电还要与海底输电系统相匹配7 q4 P. G" Z5 D- p4 n% B
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9 X, D2 R4 ~! D; S9 N像这样“一串蟹”的连接也是可以的，只是要注意串与串的并列和交叉冗余，避免单一节点故障导致全盘皆输
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至于海底动力电缆，这倒是早就解决的问题
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海底电缆的铺设和检修成本都更高。水下机器人发达后，成本可望大大降低。水下机器人可以或者直接就地检修，或者将电缆绑上浮体浮上水面，然后在水面检修。* I% P, ^8 ]- P
% ~2 b3 l2 n1 }0 F X: M* e海底电缆肯定比陆地上的架空电缆复杂，但中国陆上风电资源丰富的地方原理人口密集和经济发达的东南沿海，与上千甚至几千公里的架空电缆相比，几十公里的海底电缆还是可以接受的，输电损失也大大降低。' F8 ?' H% u) f9 I9 V
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除了福建、广东沿海一些地区，中国风电资源丰富的地方都很偏远。内蒙到东北还好说，但西藏到东南沿海就远了
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另一个问题是安装。大型海上结构的拖带还不是最大的问题，吃水很深的半潜体有点麻烦，对沿线水深的要求较高。建造时浮起，到地方在把水打入压载水舱可以解决水深问题，但在拖带中的重心大大提高，对海况和天气的要求很高。
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当然可以把半潜体和风机分别运输，在海上吊装安装，但这需要大型浮动吊车，不仅安装成本提高，本身对海况和天气的要求也很高。6 m& l8 y5 q+ w( y
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这样的整体拖带当然对安装最有利，但重心很好，受海况和天气影响很大
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& |( i4 p# M- C( p在陆地上建造，用半潜驳船拖运到海上风电场，然后用浮吊安装，这是最成熟但也最费事的方法
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/ V P& @& z7 t0 l( O/ i最好还是在陆地建造完工后，整体拖运到海上风电场，就地下沉和入网。可以考虑把双叶风机和桩柱式结合起来，在拖运的时候把风机的桨叶转动、锁定到与桩柱平行的位置，这是拖船只是在拖带一个很长的浮体，就像前文中FLIP在航行时的状态，没有多大的问题。到达位置后，桩柱内充水，靠较低的重心自然竖直，只要把锚链与锚桩相连，电缆与汇集点相连，就可以开始工作了。
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5 ^9 F8 ~( C1 B5 M- \费事一点，也可以把桨叶拆下来再拖运，在海上安装前在水面安装，然后在注入压舱水和下沉、扶正。这就可以用效率更高的三叶、四叶风车了。由于海上安装的高度很低，桨叶重量相对较轻，对施工船的要求不很高。可能自带吊车就可以了，不需要专用的大型浮吊。+ d$ ]3 Q# F0 z ^/ b* x
}3 j% l7 O0 ^$ H3 t海上检修的时候反过来，用压缩空气（比如由检修船上的压缩机提供）排出部份压载水，使得桩柱和风机有控制地浮起、倾倒，然后就可以在接近水面的高度检修了。检修完毕，再次注入压舱水，下沉、扶正。' e5 A" x$ m, t2 i1 b* ^8 W
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, m. u% I! @) y9 j C5 _7 e如果双叶桨叶转动到与桩柱平行的位置，半潜体也换成桩柱体，横置在海面上的拖带就很容易
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单风车有迎风转向的问题，但用周期性的桨距控制，在每一圈里动态地降低上风方向桨叶的桨距，增加下风方向的桨距，形成不对称风压，也可完成转向。控制复杂一点，但不是做不到的。这样的变桨距也只需要在风向变的时候使用，不是常年需要，所以可靠性也不是大问题。. C( V, {0 X1 R! W
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要是简单点，在桩柱上像导弹弹翼一样，安装一定数量的横向稳定鳍，使得桩柱的转动大大减速，这时就近似于固定的桩柱了，就可以用陆地风机电动转向的办法，转向迎风方向了。) {( H5 o4 v1 z9 w8 {
& U& P j# T- h海上风电不仅是解决中国一般电力需要的有力手段，也解决了沿海更加缺点的问题。另外很重要的是：中国陆上风机的制造已经占世界一半，转战海上风机没有压力，而中国爆表的钢铁、造船工业正好有了一个新的增长点。+ V7 D4 X5 a* K. {* a$ E$ U
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2 n/ _3 O) b; T+ h) o1 M半潜式海上风电可以在干船坞里建造
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8 @6 v1 E) r/ K: V; e3 ^也可以在陆地平台上建造后再吊装到半潜运输船上4 ^* M9 |, C, Z" m' t. j$ Q( R4 j
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中国的海上吊车在世界上第二，就没人敢说第一% [5 ^( c- j5 @4 l% Q
" z; [8 i; ?! m8 j1 N这也是中国与一带一路切实合作的契机，是现成的适合中国制造、海外安装的东西。海上拖带是超重设备远程运输最便利的方式。比如说，中国制造，然后海上拖带到韩国、日本、越南、菲律宾、印度尼西亚、泰国、马来西亚、太平洋岛国等，这是现成的市场。" @8 p4 j9 v# E& S" l: a
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海上电缆铺设也是中国的强项。加上海上维修，这是一门回头客的生意。海上装备、特种船、海上工程服务，都是新的增长点，而且是有很大就业需求的的行业。同时，海上风电建设也容易避开了陆上项目必然要涉及的雇佣本地劳动力的问题，政治上相对不复杂。- C$ j: \8 T( r- ?! u3 [
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$ o+ P, l f* z中国海上风电起步较晚，但已经在大干快上了。不过这里还是坐底建造的，除了海上作业，与陆上没有多少不同。要是半潜结构和海水浮力，在起竖前在接近海面的位置吊装，作业简单得多，也不需要大型浮吊。安装完毕后再向半潜体注入压舱水，下沉、扶正
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海底电缆铺设已成中国强项
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亚洲的海上风电现在还落后于欧洲，但将成为未来热点，超过欧洲和北美之和
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* o8 `6 q$ [- Q1 ?7 O$ {日本其实是海上风电的“富矿”，如果中国制造有足够的竞争力，把日本市场吃下来也是可能的，中国造船已经把日本造船打到后排去了5 }5 M" W5 f8 Y4 ?* }$ O
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; Y+ _& E1 q3 Z9 y2 C越南是另一个潜在市场。中越关系政冷经热未必是海上风电的阻力
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* {* m: _+ e, F: J# S+ A在格拉斯哥COP26之后，煤电成了过街老鼠，天然气发电也只能是过渡，核电有过不了的公众舆论关，陆上光电、风电也有各自的问题。海上风电不仅避免了陆地风电的很多问题，还有望与氢相结合，解决储能问题。
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0 w5 F& L7 @5 z I工业制氢是很成熟的技术了。但用化学反应从碳氢燃料制氢被成为“黑氢”，一点不解决环保问题。加上碳捕捉后，“黑氢”可变身为“蓝氢”，洗绿了一点，但还是不够。只有电解水制氢才是“绿氢”，不产生任何碳排。但陆上风电资源丰富的地方也常常是缺水的地方，风电与“绿氢”相结合不容易。海上就没有水源的问题了，海水可能是世界上空气之外唯一取之不尽、用之不绝的资源。
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5 q% U1 }& R2 M. W" u _+ t1 D6 y& w不过海上风电不能直接用于电解水制氢，需要先将海水淡化，否则淡盐水电解后，也会产生盐酸和烧碱。盐酸和烧碱是重要无机化工原料，但用不了那么多。直接排放到大海里，则有污染问题，影响海洋生态。海水淡化会产生盐水，形成热点的话，对海洋生态也是有破坏，但毕竟是酸碱中性的。
+ v# s* w( H. l' q( W. x+ N2 ^2 e3 v0 _! w4 E3 {
制取氢之后，可以液氢暂存，用船运运回大陆就新，不需要用成本更高、维修困难的液氢管道。同时制取的氧也可以液氧形式运回大陆。液氢和液氧都不好伺候，但都没有形成污染的危险，一旦在海上发生泄露，不会形成“瓦尔迪斯”号漏油那样的恶性生态灾难。但液氢大量运会大陆后，可以作为调峰电力的能源，或者重型卡车、飞机、船艇的能源，家用汽车用氢驱动还是有太多的安全问题。5 r: r% z5 ]' c8 d; `
$ ?+ w% [5 O! {% h1 r这需要一定的制氢和储氢设施。直接与海上风电整合在一起的话，需要平台较大才行，比如多风车的大型浮架。否则在海上风电场里单独建造一个浮岛也是可以的。2 m0 C! u; G0 }
8 B* c( b* `" q& J5 O海上制氢还可以和网箱海带养殖结合起来，制造生物柴油。生物柴油在燃烧的时候是有碳排的，但海带在成长过程中是吸碳的，所以生物柴油是碳中和的。有了氢再制取生物柴油不是无事生非。柴油存储容易，常温常压下单位体积能量密度比比氢高得多，在很多高续航力的场合还是不可替代的。
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5 }" ~, q6 s% Q5 X: Z海上制取的氢还可以用于煤转油。现有的煤转油是高碳排的，不宜作为长线发展技术。煤是长链碳氢化合物，柴油也是长链，但比煤短。煤转油工艺在本质上是把一部分长链里的碳消耗掉，在转化成工艺热能的同时，释放出氢，然后在把剩余长链打断的过程中，把氢“打入”产生的短链，形成柴油。这是高耗能、高碳排的过程。然而，已经有了海上风电制取的“绿氢”，就跳过了煤转油中最耗能、最高碳排的部份。这不是碳中和的，但与植树造林相结合，还是可以在总体上达到碳中和的。
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即使在碳中和的时代，生物柴油、合成柴油依然会存在。; w4 F. j6 u" K! p; Q- L; d
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