前言：上周我们介绍了
电池技术，其中锂电池是目前应用比较广泛的一种电储能技术，但在储能密度和储能时间上来看仍具有一定的劣势，相较于此，电转气技术（简称P2G或PtG）在这两方面有着绝对的优势。这种通过将电力转化为气体燃料的技术，利用了电解水的化学过程产生了氢气，氢气可以直接使用或者通过其他步骤再转化为合成气体（例如甲烷或液化石油气等），这种巧妙的转换方式，在跨季节储能上有着很好的应用前景。通过电转气技术生成的气体，不仅可以作为燃料通过燃烧生热，也可以应用于发电机的动力来源。除此之外，产生的氢能可以作为燃料电池，这也进一步促进了行业耦合，同时也推动了综合能源技术的一体化进程。关键词：综合能源 储能 氢能
技术原理简介
P2G技术原理主要涉及两个重要的化学反应过程。
过程1：电转氢过程
该过程利用电能通过电解水的方式来产生氢气并进行储存。常用的电解水技术包括碱性水点电解（AWE）和质子交换膜电解（PEME）。
过程2：甲烷化过程
该过程是在1的基础上，利用氢气与二氧化碳反应生成甲烷合成气。
技术分析
电转气技术通过化学反应产生合成天然气的过程，不仅实现了电能到天然气的转换，同时进一步加深了电-气综合能源系统的耦合。P2G技术的响应速度快，调度特性灵活的特性也可以提高风电利用率，减少了弃风现象。上一章中介绍的电池技术适用于频繁的短期储能，与之相比，PtG设备具有较大的储能容量，更适用于长期储能，两者都可有效的辅助电网的调度。
Power to Gas综合能源系统图
电转气技术与可再生能源电力的结合，不仅可以减少二氧化碳的排放，而且还可以在长时间内实现几乎无损失的存储。天然气发电使电能以压缩气体的形式，通过现有的天然气管道进行储存与运输。合成天然气可以用于
工业和交通运输的领域，例如区域铁路运输的电气化以及减少公共交通中柴油车辆的使用率，进一步激发了工业领域的脱碳潜力。并且多能源互联系统也将信息技术，能源转换技术结合在了一起，从而提高了能源开发和利用效率，并减少了对环境的负面影响。下图则展示了各种P2G技术的能源转换效率，在这里值得注意的是，每一次转化，都意味着更多的能量损失与设备资金的投入。
图片来源：（German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes
目前P2G仍然受限于低能源转化效率与居高不下的成本。但不可忽视的是，电解水制氢的成本降低进展十分迅速，依照过去几年经验，如果将堆栈输出增加一倍，那么将成本降低约20％是可行的。并且现在发现，通过加压可逆固体氧化物燃料电池的方法，可使往返效率达到80%。鉴于目前仍然偏低的生产数量可以预测，未来P2G技术经济性的进一步提升仍具有巨大潜力。
技术经济性
虽然前景可观，但依照现状来看，PtG相关技术的投资成本 仍然十分昂贵，此外运行效率低，运行寿命也受到了一定的限制，这些因素综合导致了PtG厂站的运营成本很高，因而使得PtG难以在电力-天然气综合能源系统中获得经济收益，其技术尚未达到大规模商业化应用的程度。PtG 成本降低工作的重点应主要放在电解，其次是储氢，以及热/材料回收和在特定部署方案中对技术经济环境绩效的仔细评估。随着投资成本降低、运行效率提高、竞争性能源市场的逐步开放和完善，外加适当的政策性支持（如引入碳排放指标等），相信该技术的经济性会得到很大的提升。
PtG技术的的部署方案
PtG 部署方案可按两种类型进行分类，其共同目标是最大限度地利用发电和相应资源，减少环境排放。在第一类情况下，PtG被部署到特定的区域或是全国能源系统中，其目标是促进稳定电网，以减轻大量波动造成电力过剩的影响，并改善能源供应的安全性。在第二类情况下，PtG 技术被应用于工业或小型电力设施或其他分布式装置的能源链中，以增强盈利能力。
下图是PtG技术目前全球部署的地理概况，可以看到，大多数电转气技术都分布在欧洲，这也侧面反映了可再生能源实施的进程。目前受限的PtG部署可能与未来过剩发电的不确定性，电力和天然气网络的开发不足以及该技术产品的储存能力有关。PtG
工厂容量在分布式规模部署方案中为1至80兆瓦，在国家/区域计划中为0.2至110千兆瓦。
括号中的值（x,y,z）分别指示特定地理区域的区域/国家、分布式和核能辅助公开的 PtG 部署研究的数量（来源：A Review of Projected Power-to-Gas Deployment Scenarios）
德国相关政策与示范案例
2019年至2027年间，德国开始推出证书制度，对总产量1500兆瓦的产氢工厂进行补贴。该计划为Power to X的系统运营商奖励的证书，可以在德国复兴信贷银行转化为货币应用。该项计划的补贴率根据每个年份二氧化碳排放的规模调整，目前的起步价为每吨二氧化碳300欧元，到2027年将达到每吨150欧元，项目总融资额接近11亿欧元。但目前电转气技术的相关规定和系统运营、市场监管框架仍然有许多不足之处，因此，在项目实际运营过程中，税费、电费和利率等不确定因素将会带来一定挑战。
德国的能源转型目标，是将可再生能源发电量分别从2015年的32%提升至2030年的50%与2050年的80%，其中风能在德国可再生能源电力结构中占了很大比例，而由于风能产电的不易存储与不稳定性，电转气的储能技术在这里有了用武之地。
由德国的传输运营商Tennet, Gasunie Deutschland和Thyssengas一同开发的“Element One” 计划已经开始实施，目标是率先实现电力和天然气网络的耦合，以推动能源转型的进程。其项目具体计划是在德国西北部的下萨克森州建设一座100兆瓦的天然气试点发电厂，该工厂的调试将从2022年起逐步进行。下萨克森州
丰富的风能资源与四通八达的天然气网络以及配套的储能基础设施，也为该项目提供了更扎实的基础。新电厂的作用主要是收集和重新分配北海的海上风电，并将这些电能转换为天然气，同时也进一步开发了新的可再生能源储存潜力。下萨克森州环境与能源部长Olaf Lies 将这个项目描述为该州转变为能源大州的关键信号，其表示会逐步制定相关设施标准的产业政策，并坚信氢能是能源转型达成目标的关键，而强大的储能技术不仅能够减少电网的负荷，也可以节约网络扩展的成本。下图所示为目前德国的电转气项目总体分布情况，其中蓝色代表氢能，绿色代表天然气。可以看到，德国电转气项目的分布广泛而且均匀，这势必将对未来大规模复杂燃气网络奠定扎实的基础，也显示了德国对能源转型之路的布局与雄心。
我国的电转气技术现状
目前我国的电转气技术主要是与氢能的应用紧密结合在一起的，目的是为了实现可再生能源电力的转换与存储。早在十二五期间，我国也启动了“基于可再生能源制/储氢的70MPa加氢站研发及示范项目”，其重点研究了电转气技术在燃料电池汽车加氢站方面的应用。同时也部署了“风电直接制氢及燃料电池发电系统技术研究与示范”项目，其目的是研究风电制氢及燃料电池集成系统的关键技术。未来基于储能技术在电力调峰，提升可再生能源消纳率等诸多方面的重要作用，作为关键储能技术的电转气技术，规模适应性强，终端应用灵活多样，可长期跨季节存储，优势诸多，将是推动我国能源转型与气候改善的
关键途径。
1.German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes
2.电转气技术的成本特征与运营经济性分析，刘伟佳
3.A Review of Projected Power-to-Gas Deployment Scenarios Abu Dhabi, UAE; [email protected]
4.100 MW power-to-gas project planned in Germany OCTOBER 17, 2018 SANDRA ENKHARDT
5. 能源转型的关键？储能系统中的氢能与燃料电池应用
作者 | 蒋冉止
栏目负责人 | 晋宇华琛
投稿请联系 | [email protected]
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