利用可再生電力生產(chǎn)氫氣和甲烷可以解決能源部門最棘手的挑戰(zhàn),作為能源的載體,氫氣和電力在能源轉(zhuǎn)型中互為補(bǔ)充。
在德國,可再生能源電力制氫已經(jīng)被很多業(yè)內(nèi)人士視為實(shí)現(xiàn)脫碳的重要路徑之一,利用光伏、風(fēng)電等可再生能源生產(chǎn)的電力,通過電解水和甲烷化的兩個(gè)步驟生產(chǎn)氫氣和甲烷,此過程也被稱為PtG/P2G。從電力到天然氣的生產(chǎn)第一步就是利用可再生能源電力通過電解水的方式合成氫,生產(chǎn)的氫氣可以直接使用,也可以通過氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷。
事實(shí)上,長久以來制氫工業(yè)在工業(yè)部門已經(jīng)十分成熟,大約超過95%的氫氣生產(chǎn)主要來自于化石燃料。蒸汽——甲烷重整 (SMR) 是最常見的氫氣生產(chǎn)方式,石油和煤炭氣化方式也被廣泛使用。
自過去十年以來,德國一直在進(jìn)行PtG技術(shù)試驗(yàn),并且已經(jīng)將 PtG 技術(shù)列為利用可再生能源的一項(xiàng)重要的儲(chǔ)能技術(shù),將其列入能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃。雖然PtG技術(shù)被業(yè)內(nèi)看好,但截至目前德國僅有35個(gè)PtG工廠正在運(yùn)行,總?cè)萘考s為30MW,最大的裝機(jī)僅為6MW。其中大多數(shù)是小規(guī)模的試點(diǎn)或示范項(xiàng)目,并用于研究目的。
毫無疑問,利用可再生電力生產(chǎn)氫氣和甲烷可以解決能源部門最棘手的挑戰(zhàn),作為能源的載體,氫氣和電力在能源轉(zhuǎn)型中互為補(bǔ)充。用可再生能源生產(chǎn)氫氣,從技術(shù)上有可能將大量可再生能源電力轉(zhuǎn)移到很難實(shí)現(xiàn)脫碳化的部門,例如工業(yè)、交通部門以及建筑和電力部門。
甲烷是天然氣的關(guān)鍵成分,甲烷化過程中使用的二氧化碳從空氣中捕獲,或從生物質(zhì)以及沼氣中捕獲,以確保封閉的碳循環(huán)。如果二氧化碳來自化石能源,就像在目前的工業(yè)過程中那樣,此過程就將不被視為是脫碳過程。
PtG劃算嗎?
PtG產(chǎn)生的能量具有很高的價(jià)值,合成氣體可用于長時(shí)間儲(chǔ)存并運(yùn)輸良好,并且在生產(chǎn)中生產(chǎn)出工業(yè)所需的高溫。而根據(jù)使用現(xiàn)有技術(shù),儲(chǔ)能電池?zé)o法存儲(chǔ)足夠的能量,或者以可承受的成本來平衡季節(jié)性波動(dòng)。因此,德國目前使用傳統(tǒng)燃煤燃?xì)怆姀S進(jìn)行調(diào)峰,并將在未來幾年繼續(xù)這樣做。
因而,PtG也可能是工業(yè)部門長期脫碳的關(guān)鍵。電解過程中產(chǎn)生鋼鐵生產(chǎn)等工藝所需的高溫。德國工業(yè)聯(lián)合會(huì)BDI于2018年初發(fā)布了氣候路徑研究報(bào)告,得出的結(jié)論是,到2050年德國要實(shí)現(xiàn)其溫室氣體排放量減少95%的上限目標(biāo),其整個(gè)天然氣供應(yīng)需要用沼氣和合成氣體代替,以降低工業(yè)燃燒過程產(chǎn)生的排放。
值得注意的是,合成燃料具有明顯的缺點(diǎn)。在電解、甲烷化和儲(chǔ)存過程中會(huì)損失大量能量,這意味著生產(chǎn)過程需要消耗大量的可再生能源電力。電解之后,僅剩下約67-81%的能量,并且在甲烷化的步驟之后,僅留下約54-65%的能量。合成燃料的生產(chǎn)是費(fèi)力的,并且它們總是比直接用電更昂貴且效率更低。
2018年由咨詢公司Enervis進(jìn)行的一項(xiàng)分析,比較了10項(xiàng)關(guān)于電力轉(zhuǎn)化天然氣未來作用的不同研究,結(jié)果表明德國在減少二氧化碳排放方面更加雄心勃勃,對PtG的需求將更大。
規(guī)?;那熬?/strong>
從中長期來看,氫氣可成為遠(yuǎn)距離運(yùn)輸和分配可再生能源的一種方式,特別是在電網(wǎng)容量不足或者電網(wǎng)建設(shè)難度大成本高的情況下。在德國,由于高壓輸電線路建設(shè)的滯后,無法將北方的風(fēng)電運(yùn)輸?shù)侥戏诫娏Ω咝枨蟮貐^(qū),許多人已經(jīng)將PtG視為在德國北部利用剩余風(fēng)力發(fā)電的一種方式,然而,該技術(shù)僅在德國約30多個(gè)研究和試點(diǎn)項(xiàng)目中啟動(dòng)并運(yùn)行,而且這些技術(shù)仍遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)盈利。
如果沒有政府支持和監(jiān)管,PtG的高成本意味著它無法與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行競爭,國家需要出臺(tái)相關(guān)政策以扶持規(guī)?;耐茝V,例如規(guī)定合成氣在能源結(jié)構(gòu)中的配額,或者提高二氧化碳排放價(jià)格。
對于像德國這樣的工業(yè)國家,PtG的規(guī)?;囼?yàn)也會(huì)帶來額外的經(jīng)濟(jì)效益。世界各國面臨削減化石燃料使用的壓力,德國可從出口該技術(shù)中受益。
但在本土大規(guī)模生產(chǎn)合成氣的可能性有限。PtG投資屬于資本密集型。即使PtG設(shè)施已經(jīng)存在必要的規(guī)模,咨詢機(jī)構(gòu)Agora表示德國北部目前還沒有足夠的可再生電力供他們盈利。由于固定成本高,他們需要盡可能滿負(fù)荷運(yùn)行。
一些研究人員表示,未來德國可能不得不進(jìn)口大量合成氣。德國可能根本沒有足夠的空間需求所需的風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板的數(shù)量來生產(chǎn)足夠的合成氣。
根據(jù)Nature Energy的一項(xiàng)研究,從可再生能源中生產(chǎn)氫氣在利基市場已經(jīng)具有成本競爭力,并且可能在十年內(nèi)在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中具有競爭力。慕尼黑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合曼海姆大學(xué)和斯坦福大學(xué)商學(xué)院模擬了德國和德克薩斯州的能源市場。他們得出的結(jié)論是,如果最近的趨勢持續(xù)存在,并且通過某些監(jiān)管變化或激勵(lì)措施,使用可再生電力制氫可能比預(yù)期更有吸引力。
近期,輸電網(wǎng)運(yùn)營商Amprion和天然氣輸電網(wǎng)運(yùn)營商Open Grid Europe(OGE)對外宣稱,希望在德國進(jìn)行工業(yè)規(guī)模級(jí)別的PtG技術(shù)測試,以便更好地將電力與其他部門整合。他們計(jì)劃建設(shè)50-100MW不等規(guī)模的設(shè)施,通過此過程可以為取暖和運(yùn)輸提供無碳或碳中和燃料。“我們需要突破”,OGE的母公司Vier Gas Transport GmbH的董事總經(jīng)理Stephan Kamphues表示,現(xiàn)在是時(shí)候以工業(yè)規(guī)模打開行業(yè)的大門了。
據(jù)統(tǒng)計(jì),在德國,16個(gè)工業(yè)規(guī)模的Pt G項(xiàng)目仍在規(guī)劃中,未來PtG總產(chǎn)能將大幅增加(估計(jì)為273MW),其中“HYBRIDGE”和“ELEMENT ONE”兩個(gè)項(xiàng)目將在德國下薩克森州的兩個(gè)不同地點(diǎn)選址。根據(jù)目前的規(guī)劃,“ELEMENT ONE”將于2022年逐步運(yùn)營,“HYBRIDGE”將于2023年全面投入運(yùn)營。
據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Agora的估算,在歐洲目前該技術(shù)成本大約在20-30歐分/千瓦時(shí),如果2050年全國PtG的規(guī)模可以達(dá)到100GW,成本將會(huì)降到10歐分/千瓦時(shí)。
Amprion董事會(huì)成員Klaus Kleinekorte表示,“德國為了完成退出核能以及退出煤炭的目標(biāo),給整個(gè)能源行業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。到2030年,我們必須創(chuàng)造條件,使得千兆瓦尺寸的PtG技術(shù)準(zhǔn)備就緒,這樣才能建立一個(gè)將不同能源部門聯(lián)系起來的系統(tǒng)。”
責(zé)任編輯: 李穎