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德国推进“绿色氢气”规模化

作者:范珊珊 来源:中国石化报 发布时间:2019-08-16 浏览:
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利用光伏、风能等可再生能源生产的电力,通过电解水和甲烷化的两个步骤生产氢气和甲烷,这一过程被称为电转气(PtG)。从电力到天然气的生产第一步就是利用可再生能源电力通过电解水的方式合成氢,生产的氢气可以直接使用,也可以通过氢气与二氧化碳反应生成甲烷。

业界认为,将“绿色氢气”(即使用可再生能源制成的氢气)像石油一样通过管道或专用船只输送到世界的各个角落,这在未来会非常常见。“绿色氢气”或将成为继石油、天然气之后的世界第三大能源。

在德国,电转气已被业谌耸渴游迪滞烟嫉重要路径之一。过去十年,德国一直在进行电转气技术试验,已将该技术视为利用可再生能源的一项重要储能技术,并列入能源转型计划。虽然电转气技术被业诳春茫刂聊壳暗鹿鲇35个电转气工厂正在运行,总装机容量为30兆瓦,最大的装机容量仅为6兆瓦。其中多数是小规模的试点或示范项目,并用于研究目的。

毫无疑问,利用电转气技术生产氢气和甲烷可以解决能源部门最棘手的挑战,作为能源的载体,氢气和电力在能源转型中互为补充。用可再生能源电力生产氢气,从技术上有可能将大量可再生能源电力转移到很难实现脱碳化的部门,如工业、交通部门,以及建筑和电力部门。

甲烷是天然气的关键成分,甲烷化过程中使用的二氧化碳从空气中捕集,或从生物质和沼气中捕集,以确保封闭的碳循环。如果二氧化碳来自化石能源,就像在目前的工业过程中那样,此过程将不被视为脱碳过程。

电转气划算吗?

电转气过程中产生的能量有很高的价值,合成气体可用于长时间储存并运输良好。但使用现有技术,储能电池无法存储足够的能量,或以可承受的成本来平衡季节性波动。因此,德国目前还是使用传统燃煤或燃气电厂进行调峰,并将在未来几年继续这样做。

电转气技术也可能是工业部门长期脱碳的关键。德国工业联合会2018年初发布了气候路径研究报告,得出的结论是,到2050年,德国要实现温室气体排放量减少95%的上限目标,其整个天然气供应需用沼气和合成气体代替,以降低工业燃烧过程产生的碳排放。

值得注意的是,电转气技术也有明显的缺点。在电解、甲烷化和储存过程中会损失大量能量,这意味着,生产过程需要消耗大量可再生能源电力。电解后,仅剩下67%~81%的能量,而在甲烷化步骤后,仅留下54%~65%的能量。这说明,电转气生产过程比较费力,并且比直接用电更昂贵且效率更低。

2018年,咨询公司Enervis做了一项分析,比较了10项关于电转气技术未来应用的不同研究,得出的结论是,德国在减少碳排放方面更雄心勃勃,对电转气的需求将更大。

规模化的前景

从中长期来看,氢气可成为远距离运输和分配可再生能源的一种方式,特别是在电网容量不足或电网建设难度大、成本高的情况下。在德国,由于高压输电线路建设的滞后,无法将北方的风电运输到南方电力需求高地区,许多人已将电转气视为在德国北部利用剩余风电的一种方式。然而,该技术仅在德国30多个研究和试点项目中启动并运行,而且技术远未实现盈利。

如果没有政府支持和监管,电转气的高成本意味着其无法与传统工艺竞争,国家需要出台相关政策扶持规模化的推广,如规定合成气在能源结构中的配额,或提高碳排放价格。

对于德国这样的工业国家,电转气的规模化试验也会带来额外的经济效益。世界各国面临削减化石燃料用量的压力,德国可从出口该技术中受益。

但在本土大规模生产合成气的可能性有限。咨询机构Agora表示,德国北部目前没有足够的电力供电转气技术盈利。由于固定成本较高,电转气设施需要尽可能满负荷运行。

根据Nature Energy杂志的一项研究,利用电转气技术在利基市场(是在较大的细分市场中具有相似兴趣或需求的一小群顾客所占有的市场空间)已具有成本竞争力,且十年内可能在工业规模应用中具有竞争力。德国慕尼黑工业大学联合曼海姆大学和斯坦福大学商学院模拟了德国和美国得克萨斯州的能源市场。得出的结论是,如果最近的趋势持续存在,并且出现某些监管变化或激励措施,电转气技术可能比预期更有吸引力。

近期,输电网运营商Amprion和天然气输电网运营商OGE对外宣称,希望在德国进行工业规模级别的电转气技术测试,以便更好地将电力与其他部门整合。他们计划建50~100兆瓦的设施,通过电转气过程可为取暖和运输提供无碳或碳中和燃料。

据统计,在德国,16个工业规模的电转气项目仍在规划中,未来总产能将大幅增加,其中HYBRIDGE和ELEMENT ONE两个项目将在德国下萨克森州的两个不同地点选址。根据目前规划,ELEMENT ONE项目将于2022年运营,HYBRIDGE将于2023年全面投入运营。

据咨询机构Agora的估算,欧洲目前电转气技术的成本约0.2~0.3欧元(约合0.22~0.33美元)/千瓦时,如果2050年可再生能源电力制氢规模可以达到100兆瓦,成本将降到0.1欧元/千瓦时。

Amprion公司董事会成员克劳斯表示,“德国为了完成退出核能和煤炭的目标,给整个能源行业带来了巨大挑战。到2030年,我们必须创造条件,使得千兆瓦规模的电转气技术准备就绪,才能建立一个将不同能源部门联系起来的系统”。

关键字:氢能

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