前言:上週我們介紹了
關鍵詞:綜合能源 儲能 氫能
技術原理簡介
P2G技術原理主要涉及兩個重要的化學反應過程。
過程1:電轉氫過程
該過程利用電能通過電解水的方式來產生氫氣並進行儲存。常用的電解水技術包括鹼性水點電解(AWE)和質子交換膜電解(PEME)。
過程2:甲烷化過程
該過程是在1的基礎上,利用氫氣與二氧化碳反應生成
技術分析
電轉氣技術通過化學反應產生合成天然氣的過程,不僅實現了電能到天然氣的轉換,同時進一步加深了電-氣綜合能源系統的耦合。P2G技術的響應速度快,調度特性靈活的特性也可以提高風電利用率,減少了棄風現象。上一章中介紹的電池技術適用於頻繁的短期儲能,與之相比,PtG設備具有較大的儲能容量,更適用於長期儲能,兩者都可有效的輔助電網的調度。
Power to Gas綜合能源系統圖
電轉氣技術與可再生能源電力的結合,不僅可以減少二氧化碳的排放,而且還可以在長時間內實現幾乎無損失的存儲。天然氣發電使電能以壓縮氣體的形式,通過現有的天然氣管道進行儲存與運輸。合成天然氣可以用於工業和交通運輸的領域,例如區域鐵路運輸的電氣化以及減少公共交通中柴油車輛的使用率,進一步激發了工業領域的脫碳潛力。並且多能源互聯繫統也將信息技術,能源轉換技術結合在了一起,從而提高了能源開發和利用效率,並減少了對環境的負面影響。
下圖則展示了各種P2G技術的能源轉換效率,在這裡值得注意的是,每一次轉化,都意味著更多的
圖片來源:(German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes
目前P2G仍然受限於低能源轉化效率與居高不下的成本。但不可忽視的是,電解水制氫的成本降低進展十分迅速,依照過去幾年經驗,如果將
技術經濟性
雖然前景可觀,但依照現狀來看,PtG相關技術的投資成本仍然十分昂貴,此外運行效率低,運行壽命也受到了一定的限制,這些因素綜合導致了PtG廠站的運營成本很高,因而使得PtG難以在電力-天然氣綜合能源系統中獲得經濟收益,其技術尚未達到大規模商業化
PtG技術的的部署方案
PtG 部署方案可按兩種類型進行分類,其共同目標是最大限度地利用發電和相應資源,減少環境排放。在第一類情況下,PtG被部署到特定的區域或是全國能源系統中,其目標是促進穩定電網
下圖是PtG技術目前全球部署的地理概況,可以看到,大多數電轉氣技術都分佈在歐洲,這也側面反映了可再生能源實施的進程。目前受限的PtG部署可能與未來過剩發電的不確定性,電力和天然氣網絡的開發不足以及該技術產品的儲存能力有關。PtG工廠容量在分佈式規模部署方案中為1至80兆瓦,在國家/區域計劃中為0.2至110千兆瓦。
括號中的值(x,y,z)分別指示特定地理區域的區域/國家、分佈式和核能輔助公開的 PtG 部署研究的數量(來源:A Review of Projected Power-to-Gas Deployment Scenarios)
德國相關政策與示範案例
2019年至2027年間,德國開始推出證書制度,對總產量1500兆瓦的產氫工廠進行補貼。該計劃為Power to X的系統運營商獎勵的證書,可以在德國復興信貸銀行轉化為貨幣應用。該項計劃的補貼率根據每個年份二氧化碳排放的規模調整,目前的起步價為每噸二氧化碳300歐元,到2027年將達到每噸150歐元,項目總融資額接近11億歐元。但目前電轉氣技術的相關規定和系統運營、市場監管框架仍然有許多不足之處,因此,在項目實際運營過程中,稅費、電費和利率等不確定因素將會帶來一定挑戰。
德國的能源轉型目標,是將可再生能源發電量分別從2015年的32%提升至2030年的50%與2050年的80%,其中風能在德國可再生能源電力結構中佔了很大比例,而由於風能產電的不易存儲與不穩定性,電轉氣的儲能技術在這裡有了用武之地。
由德國的傳輸運營商Tennet, Gasunie Deutschland和Thyssengas一同開發的“Element One” 計劃已經開始實施,目標是率先實現電力和天然氣網絡的耦合,以推動能源轉型的進程。其項目具體計劃是在德國西北部的下薩克森州建設一座100兆瓦的天然氣試點發電廠,該工廠的調試將從2022年起逐步進行。下薩克森州豐富的風能資源與四通八達的天然氣網絡以及配套的儲能基礎設施,也為該項目提供了更紮實的基礎。新電廠的作用主要是收集和重新分配北海的海上風電,並將這些電能轉換為天然氣,同時也進一步開發了新的可再生能源儲存潛力。下薩克森州環境與能源部長Olaf Lies 將這個項目描述為該州轉變為能源大州的關鍵信號,其表示會逐步制定相關設施標準的產業政策,並堅信氫能是能源轉型達成目標的關鍵,而強大的儲能技術不僅能夠減少電網的負荷,也可以節約網絡擴展的成本。下圖所示為目前德國的電轉氣項目
我國的電轉氣技術現狀
目前我國的電轉氣技術主要是與氫能的應用緊密結合在一起的,目的是為了實現可再生能源電力的轉換與存儲。早在十二五期間,我國也啟動了“基於可再生能源制/儲氫的70MPa加氫站研發及示範項目”,其重點研究了電轉氣技術在燃料電池汽車加氫站方面的應用。同時也部署了“風電直接制氫及燃料電池發電系統技術研究與示範”項目,其目的是研究風電制氫及燃料電池集成系統的關鍵技術。未來基於儲能技術在電力調峰,提升可再生能源消納率等諸多方面的重要作用,作為關鍵儲能技術的電轉氣技術,規模適應性強,終端應用靈活多樣,可長期跨季節存儲,優勢諸多,將是推動我國能源轉型與氣候改善的關鍵途徑。
1.German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Windgas-Angebotes
2.電轉氣技術的成本特徵與運營經濟性分析,劉偉佳
3.A Review of Projected Power-to-Gas Deployment Scenarios Abu Dhabi, UAE; tesfit@gmail.com
4.100 MW power-to-gas project planned in Germany OCTOBER 17, 2018 SANDRA ENKHARDT
5. 能源轉型的關鍵?儲能系統中的氫能與燃料電池應用
作者 | 蔣冉止
欄目負責人 | 晉宇華琛
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