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储电的魔术师——电转气技术

作者:蒋冉止 来源:交能网 发布时间:2020-03-25 浏览:
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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。

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。

来源:Tennet

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。

来源:DVGW

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。

参考资料:

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; tesfit@gmail.com

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

编辑 | 张佳琪

关键字:储电 氢能

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