德國：可再生能源規(guī)模化制氫是否可行？

文 | 本刊記者范珊珊

利用可再生電力生產(chǎn)氫氣和甲烷可以解決能源部門最棘手的挑戰(zhàn)，作為能源的載體，氫氣和電力在能源轉(zhuǎn)型中互為補充。

在德國，可再生能源電力制氫已經(jīng)被很多業(yè)內(nèi)人士視為實現(xiàn)脫碳的重要路徑之一，利用光伏、風電等可再生能源生產(chǎn)的電力，通過電解水和甲烷化的兩個步驟生產(chǎn)氫氣和甲烷，此過程也被稱為PtG/P2G。從電力到天然氣的生產(chǎn)第一步就是利用可再生能源電力通過電解水的方式合成氫，生產(chǎn)的氫氣可以直接使用，也可以通過氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷。

事實上，長久以來制氫工業(yè)在工業(yè)部門已經(jīng)十分成熟，大約超過95%的氫氣生產(chǎn)主要來自于化石燃料。蒸汽——甲烷重整 (SMR) 是最常見的氫氣生產(chǎn)方式，石油和煤炭氣化方式也被廣泛使用。

自過去十年以來，德國一直在進行PtG技術(shù)試驗，并且已經(jīng)將 PtG 技術(shù)列為利用可再生能源的一項重要的儲能技術(shù)，將其列入能源轉(zhuǎn)型計劃。雖然PtG技術(shù)被業(yè)內(nèi)看好，但截至目前德國僅有 35個PtG工廠正在運行，總?cè)萘考s為30MW，最大的裝機僅為6MW。其中大多數(shù)是小規(guī)模的試點或示范項目，并用于研究目的。

毫無疑問，利用可再生電力生產(chǎn)氫氣和甲烷可以解決能源部門最棘手的挑戰(zhàn)，作為能源的載體，氫氣和電力在能源轉(zhuǎn)型中互為補充。用可再生能源生產(chǎn)氫氣，從技術(shù)上有可能將大量可再生能源電力轉(zhuǎn)移到很難實現(xiàn)脫碳化的部門，例如工業(yè)、交通部門以及建筑和電力部門。

甲烷是天然氣的關(guān)鍵成分，甲烷化過程中使用的二氧化碳從空氣中捕獲，或從生物質(zhì)以及沼氣中捕獲，以確保封閉的碳循環(huán)。如果二氧化碳來自化石能源，就像在目前的工業(yè)過程中那樣，此過程就將不被視為是脫碳過程。

PtG劃算嗎？

PtG產(chǎn)生的能量具有很高的價值，合成氣體可用于長時間儲存并運輸良好，并且在生產(chǎn)中生產(chǎn)出工業(yè)所需的高溫。而根據(jù)使用現(xiàn)有技術(shù)，儲能電池無法存儲足夠的能量，或者以可承受的成本來平衡季節(jié)性波動。因此，德國目前使用傳統(tǒng)燃煤燃氣電廠進行調(diào)峰，并將在未來幾年繼續(xù)這樣做。

因而，PtG也可能是工業(yè)部門長期脫碳的關(guān)鍵。電解過程中產(chǎn)生鋼鐵生產(chǎn)等工藝所需的高溫。德國工業(yè)聯(lián)合會BDI于2018年初發(fā)布了氣候路徑研究報告，得出的結(jié)論是，到2050年德國要實現(xiàn)其溫室氣體排放量減少95%的上限目標，其整個天然氣供應(yīng)需要用沼氣和合成氣體代替，以降低工業(yè)燃燒過程產(chǎn)生的排放。

值得注意的是，合成燃料具有明顯的缺點。在電解、甲烷化和儲存過程中會損失大量能量，這意味著生產(chǎn)過程需要消耗大量的可再生能源電力。電解之后，僅剩下約67-81%的能量，并且在甲烷化的步驟之后，僅留下約54-65%的能量。合成燃料的生產(chǎn)是費力的，并且它們總是比直接用電更昂貴且效率更低。

2018年由咨詢公司Enervis進行的一項分析，比較了10項關(guān)于電力轉(zhuǎn)化天然氣未來作用的不同研究，結(jié)果表明德國在減少二氧化碳排放方面更加雄心勃勃，對PtG的需求將更大。

規(guī)模化的前景

從中長期來看，氫氣可成為遠距離運輸和分配可再生能源的一種方式，特別是在電網(wǎng)容量不足或者電網(wǎng)建設(shè)難度大成本高的情況下。在德國，由于高壓輸電線路建設(shè)的滯后，無法將北方的風電運輸?shù)侥戏诫娏Ω咝枨蟮貐^(qū)，許多人已經(jīng)將PtG視為在德國北部利用剩余風力發(fā)電的一種方式，然而，該技術(shù)僅在德國約30多個研究和試點項目中啟動并運行，而且這些技術(shù)仍遠未實現(xiàn)盈利。

如果沒有政府支持和監(jiān)管，PtG的高成本意味著它無法與傳統(tǒng)工藝進行競爭，國家需要出臺相關(guān)政策以扶持規(guī)模化的推廣，例如規(guī)定合成氣在能源結(jié)構(gòu)中的配額，或者提高二氧化碳排放價格。

對于像德國這樣的工業(yè)國家，PtG的規(guī)模化試驗也會帶來額外的經(jīng)濟效益。世界各國面臨削減化石燃料使用的壓力，德國可從出口該技術(shù)中受益。

但在本土大規(guī)模生產(chǎn)合成氣的可能性有限。PtG投資屬于資本密集型。即使PtG設(shè)施已經(jīng)存在必要的規(guī)模，咨詢機構(gòu)Agora表示德國北部目前還沒有足夠的可再生電力供他們盈利。由于固定成本高，他們需要盡可能滿負荷運行。

一些研究人員表示，未來德國可能不得不進口大量合成氣。德國可能根本沒有足夠的空間需求所需的風力渦輪機和太陽能電池板的數(shù)量來生產(chǎn)足夠的合成氣。

根據(jù)Nature Energy的一項研究，從可再生能源中生產(chǎn)氫氣在利基市場已經(jīng)具有成本競爭力，并且可能在十年內(nèi)在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中具有競爭力。慕尼黑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合曼海姆大學(xué)和斯坦福大學(xué)商學(xué)院模擬了德國和德克薩斯州的能源市場。他們得出的結(jié)論是，如果最近的趨勢持續(xù)存在，并且通過某些監(jiān)管變化或激勵措施，使用可再生電力制氫可能比預(yù)期更有吸引力。

近期，輸電網(wǎng)運營商Amprion和天然氣輸電網(wǎng)運營商Open Grid Europe（OGE）對外宣稱，希望在德國進行工業(yè)規(guī)模級別的PtG技術(shù)測試，以便更好地將電力與其他部門整合。他們計劃建設(shè)50-100MW不等規(guī)模的設(shè)施，通過此過程可以為取暖和運輸提供無碳或碳中和燃料。“我們需要突破”，OGE的母公司Vier Gas Transport GmbH的董事總經(jīng)理Stephan Kamphues表示，現(xiàn)在是時候以工業(yè)規(guī)模打開行業(yè)的大門了。

據(jù)統(tǒng)計，在德國，16個工業(yè)規(guī)模的PtG項目仍在規(guī)劃中，未來PtG總產(chǎn)能將大幅增加（估計為273MW），其中“HYBRIDGE”和“ELEMENT ONE”兩個項目將在德國下薩克森州的兩個不同地點選址。根據(jù)目前的規(guī)劃，“ELEMENT ONE”將于2022年逐步運營，“HYBRIDGE”將于2023年全面投入運營。

據(jù)咨詢機構(gòu)Agora的估算，在歐洲目前該技術(shù)成本大約在20-30歐分/千瓦時，如果2050年全國PtG的規(guī)模可以達到100GW，成本將會降到10歐分/千瓦時。

Amprion董事會成員Klaus Kleinekorte表示，“德國為了完成退出核能以及退出煤炭的目標，給整個能源行業(yè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。到2030年，我們必須創(chuàng)造條件，使得千兆瓦尺寸的PtG技術(shù)準備就緒，這樣才能建立一個將不同能源部門聯(lián)系起來的系統(tǒng)。”