對(duì)Power-to-Gas的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性分析

張健 孫天宇 王慶陽(yáng) 任建興

（上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院 上海 200090）

對(duì)Power-to-Gas的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性分析

張健 孫天宇 王慶陽(yáng) 任建興

（上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院 上海 200090）

新能源的快速發(fā)展給中國(guó)的環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了巨大的推動(dòng)力。然而，新能源發(fā)電不能持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)在一定程度上制約了它取代傳統(tǒng)能源的前進(jìn)步伐，使得它的發(fā)展進(jìn)入瓶頸期。在這樣的背景下，儲(chǔ)能技術(shù)為新能源的未來(lái)發(fā)展注入了新的活力，而在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中Power-to-Gas是非常有前途的選擇。文章通過(guò)對(duì)該技術(shù)的環(huán)保性及經(jīng)濟(jì)性方面的計(jì)算分析，闡述了其在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)，顯現(xiàn)了該儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

新能源；儲(chǔ)能；Power-to-Gas；環(huán)保性；經(jīng)濟(jì)性

新能源由于其完全的零排放越來(lái)越多的得到各國(guó)的重視，它在各國(guó)的最終能源消耗中所占的比例也逐步提升。圖1是新能源在中國(guó)，歐洲以及美國(guó)等國(guó)的能源消耗中所占的比例。我們可以從圖1中知道，新能源在各國(guó)能源中長(zhǎng)期規(guī)劃中占有重要的地位。

圖1 新能源在各國(guó)能源消耗中的比例

與傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)相比，例如煤電，天然氣發(fā)電等，新能源發(fā)電最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)環(huán)境的污染是最小的。但是，由于像風(fēng)能，太陽(yáng)能等發(fā)電對(duì)天氣的依賴度較高，使得新能源發(fā)電的輸出是間斷性的。這樣的電力輸出特性是不能滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力的持續(xù)需求，造成了發(fā)電端和輸配電終端之間的不匹配。這在很大程度上阻礙了新能源的快速發(fā)展。為了解決這樣的供需之間的矛盾，各國(guó)都在為新能源發(fā)電研究配套的儲(chǔ)能技術(shù)，在這其中Power-to-gas(已下簡(jiǎn)稱P2G)是現(xiàn)今最有潛力的儲(chǔ)能技術(shù)。

1 P2G的技術(shù)原理

P2G是一種全新的技術(shù)理念，它將傳統(tǒng)的電網(wǎng)與天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)相結(jié)合，將不能并網(wǎng)的新能源發(fā)電轉(zhuǎn)化為其他能源形式并予以儲(chǔ)存，當(dāng)電力短缺時(shí)通過(guò)多種發(fā)電方式將儲(chǔ)存能源再次轉(zhuǎn)化為電力。

圖2 P2G技術(shù)原理簡(jiǎn)圖

當(dāng)新能源發(fā)電不能并網(wǎng)時(shí)，比如晚上的風(fēng)能質(zhì)量要好于白天，所以夜間風(fēng)能的發(fā)電量要多于白天，但是夜晚是用電的低谷，我們可以把這樣的“棄風(fēng)”電力通過(guò)電解水的技術(shù)將電能轉(zhuǎn)化為氫能，我們將氫氣加以儲(chǔ)存，不僅可以當(dāng)用電高峰來(lái)臨時(shí)可以通過(guò)燃料電池，CHP發(fā)電等方法將氫能轉(zhuǎn)化為電能也可以將氫氣作為化工原料加以利用；另一種方法，電解水產(chǎn)生的氫氣可以與二氧化碳一起通過(guò)甲烷化過(guò)程生成甲烷，這是天然氣的主要成分。因此，生產(chǎn)的甲烷可以接入天然氣設(shè)施予以儲(chǔ)存待需要時(shí)加以利用。由于天然氣行業(yè)已經(jīng)建立了眾多的管網(wǎng)運(yùn)輸系統(tǒng)和天然氣儲(chǔ)存設(shè)施，有著TWH數(shù)量級(jí)別的儲(chǔ)存能力，這就使得P2G技術(shù)有著巨大的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)。

2 P2G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

無(wú)論是生產(chǎn)的氫氣還是甲烷，都可以通過(guò)天然氣管道進(jìn)行運(yùn)輸，這就解決了電網(wǎng)擁堵的地點(diǎn)并非是電力消耗密集地點(diǎn)的問(wèn)題。相比于電網(wǎng)堵塞、沖擊的風(fēng)險(xiǎn)天然氣管道運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)要小的多，因?yàn)樘烊粴庑袠I(yè)擁有眾多的地上、地下的儲(chǔ)存設(shè)施來(lái)緩沖供需之間的不平衡；除此之外，天然氣行業(yè)擁有的TWH級(jí)別的儲(chǔ)存能力為電力能源的季節(jié)性儲(chǔ)存提供了可能，例如，冬天新能源多余的發(fā)電量可以儲(chǔ)存到夏季用電高峰時(shí)使用，而這是現(xiàn)在其他儲(chǔ)能技術(shù)所不能達(dá)到的。

3 P2G環(huán)保性分析

P2G技術(shù)可以減輕許多傳統(tǒng)火力發(fā)電對(duì)環(huán)境所帶來(lái)的負(fù)面影響。傳統(tǒng)火力發(fā)電會(huì)不可避免的產(chǎn)生煙氣排放，而煙氣中包含的二氧化硫，氮氧化物，粉塵以及二氧化碳對(duì)環(huán)境都有破壞作用。圖3 顯示的是一燃煤電廠具體的排放數(shù)據(jù)。

中國(guó)風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量在2014年將接近90GW，年發(fā)電量大約在1750×108kw·h。假設(shè)2014年全年的棄風(fēng)率和2013的11%相同并且P2G的電力轉(zhuǎn)化效率和電力再生產(chǎn)效率分別在70%和75%（CHP的熱效率）左右，電網(wǎng)的接入效率為90%。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，可以對(duì)該技術(shù)的減排量作如下估算。

圖3 燃煤電廠煙氣排放（Kg/MW·h）

全年棄風(fēng)發(fā)電量為：Qa=Qp×δ=175000000000kW·h× 0.11=1.925×1010kW·h

式中Qa-全年棄風(fēng)量 Qp-全年風(fēng)電發(fā)電量δ-棄風(fēng)率

棄風(fēng)儲(chǔ)存后再發(fā)電量：Qrp=Qa×α×β×γ =1.925×1010×0.70×0.75×0.9=9095625000kW·h／年

式中Qrp-再發(fā)電量α-P2G系統(tǒng)效率β-CHP熱效率γ-并網(wǎng)接入效率

從圖3可以得出，相比于傳統(tǒng)燃煤電廠，P2G技術(shù)每生產(chǎn)1MW·h的電就會(huì)減少CO2830 Kg,NOX1.5 Kg,SO20.6Kg,粉塵0.1 Kgand NO0.05 Kg.

因此減排量,其中Qre=q×Qrp-減排量-每再發(fā)1MW·h電量的減排量代入上述數(shù)據(jù)，P2G技術(shù)全年減排量如表1所示。

表1 P2G年減排量估算（以風(fēng)電為例）

4 2G經(jīng)濟(jì)性分析

P2G技術(shù)對(duì)電力的儲(chǔ)存減少了對(duì)化石燃料的使用，以某電廠279.39g/kW·h的煤耗為例，通過(guò)P2G技術(shù)可以節(jié)約255×104t的標(biāo)準(zhǔn)煤，每年節(jié)省人民幣大約1.6億元左右。同時(shí)也減少了對(duì)脫硫脫氮以及除塵設(shè)備的使用，節(jié)省了運(yùn)行和維護(hù)成本。以600MW機(jī)組的脫硫脫氮運(yùn)行成本為例作如下分析（不包括維護(hù)成本以及SCR機(jī)組催化劑的更換）。600MW機(jī)組每小時(shí)額定發(fā)電量為600MW·h,根據(jù)T=Qrp/600。可計(jì)算出相同發(fā)電量下600MW機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間大約為15000h。國(guó)家環(huán)保總局規(guī)定，脫硫機(jī)組必須與發(fā)電機(jī)組同步運(yùn)行，所以脫硫機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間以15000h計(jì)算,石灰石100元/t,水價(jià)3.5元/t，電價(jià)0.5元/（kW·h），石膏50元/t，則石灰石-石膏法年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 石灰石-石膏法年運(yùn)行費(fèi)用

其中C1-各項(xiàng)目消耗量-單位時(shí)間消耗量q'-費(fèi)用C2-各項(xiàng)目單價(jià)所以，通過(guò)所使用P2G儲(chǔ)能技術(shù)節(jié)約的脫硫運(yùn)行成本（Ms1）大約為：

式中Q-P2G再發(fā)電量，P'-脫硫機(jī)組1MWh的運(yùn)行成本同樣我們估算出采用SCR技術(shù)的脫氮機(jī)組的年運(yùn)行成本如表3所示。

表3 SCR脫氮技術(shù)的運(yùn)行成本

同理，通過(guò)采用P2G儲(chǔ)能技術(shù)節(jié)約的脫氮運(yùn)行成本（Ms2）大約為：

式中Q-P2G發(fā)電量，P"-脫氮機(jī)組1MW·h的運(yùn)行成本因此，每年僅脫硫及脫氮機(jī)組節(jié)約的費(fèi)用在2億元左右，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

5 P2G技術(shù)目前存在的問(wèn)題

雖然P2G技術(shù)具有季節(jié)性儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，但是仍然存在著一些問(wèn)題。首先，目前的電解水再到生產(chǎn)電的效率并不高，一些示范性工程的效率在50%～70%之間，能量的損耗主要在電解水過(guò)程以及氫氣與二氧化碳的甲烷化過(guò)程；其次，P2G技術(shù)不能對(duì)負(fù)荷變化做出快速響應(yīng)，這是因?yàn)槟壳半娊馑褂玫碾姌O以及甲烷化過(guò)程具有較長(zhǎng)的冷啟動(dòng)時(shí)間；最后，該技術(shù)仍處于研究發(fā)展階段，其可行性在示范工程上得到驗(yàn)證，但是初期投資大，缺少統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)規(guī)范以及政策上的支持。這些問(wèn)題都使得P2G技術(shù)在商業(yè)推廣上遇到一些難題。

6 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了Power-to-Gas的技術(shù)原理，并對(duì)該技術(shù)的環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性作出分析。Power-to-Gas技術(shù)不僅具有季節(jié)性儲(chǔ)能，解決電網(wǎng)擁堵引起的沖擊或能源浪費(fèi)的能力，其在節(jié)能減排方面也有著巨大的潛力。但是，效率和對(duì)負(fù)荷變化的響應(yīng)時(shí)間有待提高，需要對(duì)高效及快速響應(yīng)的電解水電極進(jìn)行深入研究；同時(shí)優(yōu)化改進(jìn)甲烷化過(guò)程，減少冷啟動(dòng)時(shí)間，使該技術(shù)更好的適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，為其商業(yè)化進(jìn)程掃清障礙。

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張健（1989—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉磧?chǔ)能技術(shù)。