風電制氫的甲烷化消納的可行性分析

蔣勝千，張 凡，滕華燈，劉俊峰

(三峽新能源陽江發電有限公司，陽江 529500)

0 引言

近年來，受氣候變化、環境惡化等因素的影響，各國紛紛推行了減少碳排放的計劃，核心措施均是在減少化石能源使用的同時增加對可再生能源的利用。我國在可再生能源方面的裝機規模和增速均位于世界前列。截至2020年底， 我國的可再生能源發電的裝機規模達9.34億kW，同比增長約17.5%；其中，風電的裝機規模為2.81億kW。2020年，我國可再生能源的發電量達22148億kWh，同比增長約8.4%；其中，風電的發電量為4665億kWh，同比增長約15%。2020年，我國風電的平均限電率為3%，較2019年同期降低了1個百分點；棄風電量約為166億kWh，此前“棄風”嚴重的新疆維吾爾自治區、甘肅省、內蒙古自治區的形勢均有所好轉。

目前，我國通過建立可再生能源電力的消納保障機制，“棄風限電”現象有所好轉，但隨著風電裝機規模的飛速增長，未來，風電消納難題在高風電滲透率的電網可能進一步凸現。因此，利用風電制氫技術或儲能技術是促進風電消納、解決“棄風限電”問題的有效方法。

為解決“棄風限電”問題，國內外圍繞風電制氫技術開展了多項研究，并啟動了多個風電制氫試驗性/示范性項目，與此同時也帶動了氫能產業的發展。比如：2020年3月，國家電投集團氫能科技發展有限公司與北京市昌平區人民政府簽訂戰略合作框架協議，雙方將在氫能產業技術創新、氫能創新基地建設等方面進一步加強合作；2020年11月10日，呼和浩特旭陽中燃能源有限公司與呼和浩特市清水河縣人民政府簽訂了氫能產業發展戰略合作框架協議，雙方將圍繞重點領域的合作，加快高效氫能綜合利用示范項目的建設進度，努力將呼和浩特市打造成氫能示范城市，并通過持續的研發、應用，最終將呼和浩特市打造成華北地區氫能輸出基地和氫能應用及其裝備制造研發基地。然而，目前氫氣的存儲、輸運及消納系統尚不夠完善，而且燃料電池的高成本也限制了風電制氫技術的發展，但采用氫氣甲烷化技術可通過有效利用現有的天然氣管網來低成本地促進制氫行業的發展。2013年6月，奧迪汽車公司在德國的Wertle市建成了P2G(即Power to Gas，是利用風電、太陽能發電等的剩余電力來電解水生成氫氣，然后提供給可摻氫的天然氣管網；或進一步利用電力、水及大氣中的二氧化碳，通過甲烷化反應制造甲烷，從而提供天然氣)工廠，該工廠既可為雙燃料汽車提供燃料，也可以將過剩的電能轉化為天然氣，然后輸送到天然氣管網。

本文在介紹了風電制氫技術基本原理及發展現狀的基礎上，探討了制約該技術發展的主要因素；然后介紹了氫氣甲烷技術的基本原理及相關技術研究情況，最后分析了風電制氫甲烷化消納的可行性。

1 風電制氫技術的發展現狀與制約因素

1.1 風電制氫技術的基本原理

風電制氫是將風電機組產生的電能通過電力電子交換器后以電解水的方式產生氫氣，是一種環境友好型的制氫方式。根據風電是否是通過電力系統來消納，風電制氫系統可分為并網式風電制氫系統和離網式風電制氫系統。典型的并網式/離網式風電制氫系統主要由電網、風電機組、電力電子變換器、制氫裝置(電解槽)、水、燃氣輪機/燃料電池等構成，其工作原理圖如圖1所示。風電制氫系統產生的氫氣既可以通過燃氣輪機與天然氣進行摻燒發電，也可以作為燃料電池的燃料。

風電制氫系統可以將其制得的氫氣作為清潔的高能燃料存儲起來，在需要時通過燃料電池供電、供熱，使其具有與蓄電池、抽水蓄能及其他新型儲能方式一樣的能源存儲功能，有效降低了棄風率，最大化地利用了風能資源。

對于并網式風電制氫系統而言，一般是將風電機組發出的超出電網消納能力的電量用于制氫，制得的氫氣可以直接混入燃氣管網，也可以作為氫能汽車的燃料進行消納。對于離網式風電制氫系統而言，多應用于深遠海風電場這種離網式風電場，避免了建設輸電線路的成本和輸電過程中的損耗，可以將生產的氫氣集中儲存、輸運，從而攤低成本。并網式/離網式風電制氫系統的電氣結構如圖2所示。

圖2 并網式/離網式風電制氫系統的電氣結構Fig. 2 Electrical structure of grid-connected/off-grid wind power hydrogen generation system

1.2 風電制氫技術的發展現狀

由于風電制氫技術的碳排放量為零，使其成為全球由化石能源向清潔能源轉型過程中備受矚目的清潔能源利用方式，近年來吸引了大量研究人員參與相關研究，比如：風電制氫系統的可行性與控制策略、先進風電機組技術和電解槽技術，以及風電制氫的效益分析等。

針對風電制氫系統的應用，國內外學者討論了并網式/離網式風電場配置風電制氫系統的可行性。文獻[1]仿真分析了可變速風電機組與制氫電解槽并聯后接入電網的可行性，通過協同控制策略減小了風速波動對電網造成的影響，并提高了風能利用率；文獻[2]分析了離網式風電場配置風電制氫系統的可行性，通過對風電機組的特性進行分析并選用適當控制策略，使離網式風電制氫系統實現了可行、可控；文獻[3]利用基于粒子群優化(PSO)的蒙特卡羅法考察了包含風電機組、制氫裝置(電解槽)和燃料電池等子系統在內的微電網的能量流動模式的優化。

風電制氫系統目前主要采用水電解技術，主要包括堿性水電解制氫(AE)、質子交換膜水電解制氫(PEM)和高溫固體氧化物水電解制氫(SOE)等。雖然當前堿性水電解制氫技術已十分成熟、成本較低且應用廣泛，但該技術制氫效率較低，且因其電解液具有腐蝕性，滲漏會造成環境污染；并且由于風電制氫系統所采用的電解槽需要應對風速波動對其產生的沖擊及頻繁啟停的問題，因此，堿性水電解制氫技術的適應性和安全性有待進一步提高。當前的質子交換膜水電解制氫技術采用對氫離子具有單向導通作用的隔膜替代了傳統堿性水電解法采用的透氣隔膜，可以承受更大的壓差，動態響應性能更好，更能適應風電的波動性；該技術通過采用純水電解液，避免了堿性電解液對設備的腐蝕，安全性更好，設備使用壽命更長[4]。新興的高溫固體氧化物水電解制氫技術的理論制氫效率可達90%，但由于該技術中電堆的性能衰減速度較快，因此需要在材料方面進行突破，并對該技術進行優化控制[5]。

風電制氫系統的全生命周期評估(LCA)和效益分析決定了風電制氫工程建設的可行性。截至2021年1月，德國已有至少35個P2G項目投運，總裝機容量約為30 MW，其中，最大的裝機容量為6 MW[6]。文獻[7]在考慮制氫方式對全球變暖影響的前提下，基于全生命周期評估，綜合評價了利用風電或水電等可再生能源電力進行電解制氫相較于利用化石能源發電的傳統電網制氫的優勢。文獻[8]利用平準化度電成本法和凈現值法研究了風電制氫系統的最優規模，并考察了風電制氫系統規模對多個因素的敏感性，以指導風電制氫項目的投資決策。

1.3 風電制氫技術發展的主要制約因素

從全球范圍來看，目前的風電制氫技術仍以試驗性示范項目為主，尚未大規模推行，制約該技術發展的因素主要是制氫環節的成本較高，以及氫氣的儲運和消納較為困難。堿性水電解制氫技術較為成熟，成本較低；質子交換膜水電解制氫技術需要采用貴金屬作為催化劑，成本較高；而高溫固體氧化物水電解制氫技術尚不成熟，若建設采用該技術的大容量風電制氫項目，項目的固定成本會較高。對于氫氣的輸運，為防止產生“氫腐蝕”和“氫脆”，需要采用碳纖維鋁內膽儲氫拖車或專用的不銹鋼管道來進行輸運，成本高且運輸方式有限。此外，加氫站建設尚不完善，而且燃料電池技術不成熟也是導致氫氣的終端消納能力不足的原因之一。

2 氫氣甲烷化技術的發展現狀與趨勢

2.1 氫氣甲烷化技術的基本原理

氫氣甲烷化是以氫氣和二氧化碳為原料，利用催化劑(或采用電催化結合催化劑的方式)來制備甲烷(低碳烯烴)的化學反應。該反應方程式可表示為：

式中：n為參與反應的二氧化碳的分子數。

式(1)和式(2)中的反應均為分子數減少的放熱反應，因此為提高反應平衡時二氧化碳的轉化率，一般需要使用貴金屬作為催化劑，并在低溫、高壓的條件下進行反應。然而，采用電催化結合銅催化劑的方式時，氫氣甲烷化反應可以在常溫、常壓下進行，且銅催化劑的價格低廉，展現出了良好的應用前景。

2.2 氫氣甲烷化技術的發展現狀

氫氣甲烷化技術可將氫氣制備成天然氣，這樣能極大解決氫氣的儲存、輸運及消納問題。目前工業中采用的氫氣甲烷化技術是以固定床甲烷化工藝為主，該工藝較為成熟可靠；除此之外，還有流化床甲烷化、漿態床甲烷化和等溫甲烷化等工藝[9]。為了提高氫氣與二氧化碳反應平衡后甲烷的濃度，從熱力學角度考慮，需要維持較低的反應溫度，因此選擇催化活性優良的催化劑尤為重要。

各國學者針對氫氣甲烷化技術的催化劑進行了頗多研究。目前主流的催化劑是采用Ⅷ族金屬，其中，鎳基催化劑的性能優異，如雷尼鎳催化劑。為提高催化劑的比表面積，常以氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯、碳化硅、海泡石、分子篩、石墨烯及碳納米管作為催化劑載體。此外，含有貴金屬組分的催化劑也在氫氣甲烷化反應中有著良好的表現，但該類催化劑的成本較高。

此外，氫氣甲烷化技術還可以采用電催化結合催化劑的方式，采用電催化使二氧化碳與氫氣發生反應。根據催化劑和電解液的不同，該方式還可以衍生出多種電催化反應體系，生成的產物主要包括低碳烯烴、酸類和醇類。在反應過程中，通過對電位和反應溫度進行控制，可以控制反應產物的組分，在一定工況下，某些電催化反應體系產生的甲烷占最終產物的比例接近100%。

目前應用于氫氣甲烷化技術的催化劑已具備較好的反應活性和產物選擇性，但其壽命較短，易受到積碳的影響導致其失活；同時，其成本仍有待進一步降低。此外，氫氣甲烷化技術采用的裝置還需要具備更好的適應性，以應對原料氣量波動與頻繁啟停的問題[10]。

3 風電制氫的甲烷化消納的可行性與效益分析

目前，氫氣配套的存儲、輸運體系尚不完善，若新建設倉庫、管道和加氫站，成本極高且容易造成重復投資；但通過氫氣甲烷化技術將氫氣制備成天然氣，可以很好地解決氫氣的存儲、輸運問題。雖然廣東沿海地區的液化天然氣(LNG)產業鏈發展迅猛，但我國的天然氣仍主要依賴進口，而風電制氫的甲烷化可以很好地填補我國的天然氣缺口，以減小國際天然氣價格波動對我國天然氣價格的影響。

我國的“三北”地區和東南沿海地區是主要的天然氣進口地區，“三北”地區的天然氣主要通過管道輸運，而東南沿海地區的天然氣主要通過LNG運輸船輸運。與此同時，“三北”地區和東南沿海地區也是我國風資源集中區，規劃建設了多個風電場，若在這些地區開展風電制氫的甲烷化，則可以直接在產地消納天然氣或通過現有的天然氣管道輸運天然氣，如此一來既充分利用了已有產業，又減少了重復投資，又避免了浪費。

對于以風電、光伏發電為主的新能源發電企業而言，由于風電、光伏發電的波動性較大，這些企業需要支付較高的輔助服務費用。而將配置了制氫系統的風電場或光伏發電系統再與可利用天然氣來發電的燃氣發電相結合，由于考慮到燃氣輪機響應速度快，可以有效抵抗風電和光伏發電對電網產生的波動，減少輔助服務費用，使新能源發電企業獲得更好的發電效益，從而也降低了電網的安全風險，使其變得更加穩定。

4 結論

本文分別介紹了風電制氫技術和氫氣甲烷化技術，并討論了風電制氫的甲烷化消納的可行性。風電制氫是未來控制化石能源使用量和減少碳排放的主流方向，但是氫氣的存儲、輸運和消納問題在短時間內難以得到解決，而利用甲烷化反應將氫氣轉變為天然氣后再進行消納，可以充分利用現有的天然氣管網，減少進行氫能利用時的投資。但目前這一路徑中仍有許多關鍵技術需要突破，比如水電解槽的優化、甲烷化反應時的高轉化率催化劑，以及更好的系統控制策略等。此外，還需要針對P2G的外部性作進一步的全生命周期效益分析。以期通過本文的探討引起相關人員對風電制氫的甲烷化消納的更多關注，并進行進一步的研究。