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风电制氢的甲烷化消纳的可行性分析

日期:2022-09-29    来源:《太阳能》杂志

国际风力发电网

2022
09/29
11:05
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关键词: 风电制氢 风电产业 风电技术

近年来,受气候变化、环境恶化等因素的影响,各国纷纷推行了减少碳排放的计划,核心措施均是在减少化石能源使用的同时增加对可再生能源的利用。我国在可再生能源方面的装机规模和增速均位于世界前列。截至 2020 年底, 我国的可再生能源发电的装机规模达 9.34 亿 kW,同比增长约 17.5%;其中,风电的装机规模为2.81 亿 kW。2020 年,我国可再生能源的发电量达 22148 亿 kWh,同比增长约 8.4%;其中,风电的发电量为 4665 亿 kWh,同比增长约 15%。2020 年,我国风电的平均限电率为 3%,较 2019年同期降低了 1 个百分点;弃风电量约为 166 亿kWh,此前“弃风”严重的新疆维吾尔自治区、甘肃省、内蒙古自治区的形势均有所好转。

目前,我国通过建立可再生能源电力的消纳保障机制,“弃风限电”现象有所好转,但随着风电装机规模的飞速增长,未来,风电消纳难题在高风电渗透率的电网可能进一步凸现。因此,利用风电制氢技术或储能技术是促进风电消纳、解决“弃风限电”问题的有效方法。

为解决“弃风限电”问题,国内外围绕风电制氢技术开展了多项研究,并启动了多个风电制氢试验性 / 示范性项目,与此同时也带动了氢能产业的发展。比如:2020 年 3 月,国家电投集团氢能科技发展有限公司与北京市昌平区人民政府签订战略合作框架协议,双方将在氢能产业技术创新、氢能创新基地建设等方面进一步加强合作;2020 年 11 月 10 日,呼和浩特旭阳中燃能源有限公司与呼和浩特市清水河县人民政府签订了氢能产业发展战略合作框架协议,双方将围绕重点领域的合作,加快高效氢能综合利用示范项目的建设进度,努力将呼和浩特市打造成氢能示范城市,并通过持续的研发、应用,最终将呼和浩特市打造成华北地区氢能输出基地和氢能应用及其装备制造研发基地。然而,目前氢气的存储、输运及消纳系统尚不够完善,而且燃料电池的高成本也限制了风电制氢技术的发展,但采用氢气甲烷化技术可通过有效利用现有的天然气管网来低成本地促进制氢行业的发展。2013 年 6 月,奥迪汽车公司在德国的 Wertle 市建成了 P2G( 即Power to Gas,是利用风电、太阳能发电等的剩余电力来电解水生成氢气,然后提供给可掺氢的天然气管网;或进一步利用电力、水及大气中的二氧化碳,通过甲烷化反应制造甲烷,从而提供天然气 ) 工厂,该工厂既可为双燃料汽车提供燃料,也可以将过剩的电能转化为天然气,然后输送到天然气管网。

本文在介绍了风电制氢技术基本原理及发展现状的基础上,探讨了制约该技术发展的主要因素;然后介绍了氢气甲烷技术的基本原理及相关技术研究情况,最后分析了风电制氢甲烷化消纳的可行性。

1 风电制氢技术的发展现状与制约因素

1.1 风电制氢技术的基本原理

风电制氢是将风电机组产生的电能通过电力电子交换器后以电解水的方式产生氢气,是一种环境友好型的制氢方式。根据风电是否是通过电力系统来消纳,风电制氢系统可分为并网式风电制氢系统和离网式风电制氢系统。典型的并网式 / 离网式风电制氢系统主要由电网、风电机组、电力电子变换器、制氢装置 ( 电解槽 )、水、燃气轮机 / 燃料电池等构成,其工作原理图如图1 所示。风电制氢系统产生的氢气既可以通过燃气轮机与天然气进行掺烧发电,也可以作为燃料电池的燃料。

风电制氢系统可以将其制得的氢气作为清洁的高能燃料存储起来,在需要时通过燃料电池供电、供热,使其具有与蓄电池、抽水蓄能及其他新型储能方式一样的能源存储功能,有效降低了弃风率,最大化地利用了风能资源。对于并网式风电制氢系统而言,一般是将风电机组发出的超出电网消纳能力的电量用于制氢,制得的氢气可以直接混入燃气管网,也可以作为氢能汽车的燃料进行消纳。

对于离网式风电制氢系统而言,多应用于深远海风电场这种离网式风电场,避免了建设输电线路的成本和输电过程中的损耗,可以将生产的氢气集中储存、输运,从而摊低成本。并网式 / 离网式风电制氢系统的电气结构如图 2 所示。

1.2 风电制氢技术的发展现状

由于风电制氢技术的碳排放量为零,使其成为全球由化石能源向清洁能源转型过程中备受瞩目的清洁能源利用方式,近年来吸引了大量研究人员参与相关研究,比如:风电制氢系统的可行性与控制策略、先进风电机组技术和电解槽技术,以及风电制氢的效益分析等。

针对风电制氢系统的应用,国内外学者讨论了并网式 / 离网式风电场配置风电制氢系统的可行性。文献 [1] 仿真分析了可变速风电机组与制氢电解槽并联后接入电网的可行性,通过协同控制策略减小了风速波动对电网造成的影响,并提高了风能利用率;文献 [2] 分析了离网式风电场配置风电制氢系统的可行性,通过对风电机组的特性进行分析并选用适当控制策略,使离网式风电制氢系统实现了可行、可控;文献 [3] 利用基于粒子群优化 (PSO) 的蒙特卡罗法考察了包含风电机组、制氢装置 ( 电解槽 ) 和燃料电池等子系统在内的微电网的能量流动模式的优化。

风电制氢系统目前主要采用水电解技术,主要包括碱性水电解制氢 (AE)、质子交换膜水电解制氢 (PEM) 和高温固体氧化物水电解制氢(SOE) 等。虽然当前碱性水电解制氢技术已十分成熟、成本较低且应用广泛,但该技术制氢效率较低,且因其电解液具有腐蚀性,渗漏会造成环境污染;并且由于风电制氢系统所采用的电解槽需要应对风速波动对其产生的冲击及频繁启停的问题,因此,碱性水电解制氢技术的适应性和安全性有待进一步提高。当前的质子交换膜水电解制氢技术采用对氢离子具有单向导通作用的隔膜替代了传统碱性水电解法采用的透气隔膜,可以承受更大的压差,动态响应性能更好,更能适应风电的波动性;该技术通过采用纯水电解液,避免了碱性电解液对设备的腐蚀,安全性更好,设备使用寿命更长 [4]。新兴的高温固体氧化物水电解制氢技术的理论制氢效率可达 90%,但由于该技术中电堆的性能衰减速度较快,因此需要在材料方面进行突破,并对该技术进行优化控制 [5]。

风电制氢系统的全生命周期评估 (LCA) 和效益分析决定了风电制氢工程建设的可行性。截至 2021 年 1 月,德国已有至少 35 个 P2G 项目投运,总装机容量约为 30 MW,其中,最大的装机容量为 6 MW[6]。文献 [7] 在考虑制氢方式对全球变暖影响的前提下,基于全生命周期评估,综合评价了利用风电或水电等可再生能源电力进行电解制氢相较于利用化石能源发电的传统电网制氢的优势。文献 [8] 利用平准化度电成本法和净现值法研究了风电制氢系统的最优规模,并考察了风电制氢系统规模对多个因素的敏感性,以指导风电制氢项目的投资决策。

1.3 风电制氢技术发展的主要制约因素

从全球范围来看,目前的风电制氢技术仍以试验性示范项目为主,尚未大规模推行,制约该技术发展的因素主要是制氢环节的成本较高,以及氢气的储运和消纳较为困难。碱性水电解制氢技术较为成熟,成本较低;质子交换膜水电解制氢技术需要采用贵金属作为催化剂,成本较高;而高温固体氧化物水电解制氢技术尚不成熟,若建设采用该技术的大容量风电制氢项目,项目的固定成本会较高。对于氢气的输运,为防止产生“氢腐蚀”和“氢脆”,需要采用碳纤维铝内胆储氢拖车或专用的不锈钢管道来进行输运,成本高且运输方式有限。此外,加氢站建设尚不完善,而且燃料电池技术不成熟也是导致氢气的终端消纳能力不足的原因之一。

2 氢气甲烷化技术的发展现状与趋势

2.1 氢气甲烷化技术的基本原理

氢气甲烷化是以氢气和二氧化碳为原料,利用催化剂 ( 或采用电催化结合催化剂的方式 )来制备甲烷 ( 低碳烯烃 ) 的化学反应。该反应方程式可表示为:

式中:n 为参与反应的二氧化碳的分子数。

式 (1) 和式 (2) 中的反应均为分子数减少的放热反应,因此为提高反应平衡时二氧化碳的转化率,一般需要使用贵金属作为催化剂,并在低温、高压的条件下进行反应。然而,采用电催化结合铜催化剂的方式时,氢气甲烷化反应可以在常温、常压下进行,且铜催化剂的价格低廉,展现出了良好的应用前景。

2.2 氢气甲烷化技术的发展现状

氢气甲烷化技术可将氢气制备成天然气,这样能极大解决氢气的储存、输运及消纳问题。目前工业中采用的氢气甲烷化技术是以固定床甲烷化工艺为主,该工艺较为成熟可靠;除此之外,还有流化床甲烷化、浆态床甲烷化和等温甲烷化等工艺 [9]。为了提高氢气与二氧化碳反应平衡后甲烷的浓度,从热力学角度考虑,需要维持较低的反应温度,因此选择催化活性优良的催化剂尤为重要。

各国学者针对氢气甲烷化技术的催化剂进行了颇多研究。目前主流的催化剂是采用Ⅷ族金属,其中,镍基催化剂的性能优异,如雷尼镍催化剂。为提高催化剂的比表面积,常以氧化铝、二氧化硅、氧化锆、碳化硅、海泡石、分子筛、石墨烯及碳纳米管作为催化剂载体。

此外,含有贵金属组分的催化剂也在氢气甲烷化反应中有着良好的表现,但该类催化剂的成本较高。此外,氢气甲烷化技术还可以采用电催化结合催化剂的方式,采用电催化使二氧化碳与氢气发生反应。根据催化剂和电解液的不同,该方式还可以衍生出多种电催化反应体系,生成的产物主要包括低碳烯烃、酸类和醇类。在反应过程中,通过对电位和反应温度进行控制,可以控制反应产物的组分,在一定工况下,某些电催化反应体系产生的甲烷占最终产物的比例接近 100%。

目前应用于氢气甲烷化技术的催化剂已具备较好的反应活性和产物选择性,但其寿命较短,易受到积碳的影响导致其失活;同时,其成本仍有待进一步降低。此外,氢气甲烷化技术采用的装置还需要具备更好的适应性,以应对原料气量波动与频繁启停的问题 [10]。

3 风电制氢的甲烷化消纳的可行性与效益分析

目前,氢气配套的存储、输运体系尚不完善,若新建设仓库、管道和加氢站,成本极高且容易造成重复投资;但通过氢气甲烷化技术将氢气制备成天然气,可以很好地解决氢气的存储、输运问题。虽然广东沿海地区的液化天然气 (LNG)产业链发展迅猛,但我国的天然气仍主要依赖进口,而风电制氢的甲烷化可以很好地填补我国的天然气缺口,以减小国际天然气价格波动对我国天然气价格的影响。

我国的“三北”地区和东南沿海地区是主要的天然气进口地区,“三北”地区的天然气主要通过管道输运,而东南沿海地区的天然气主要通过 LNG 运输船输运。与此同时,“三北”地区和东南沿海地区也是我国风资源集中区,规划建设了多个风电场,若在这些地区开展风电制氢的甲烷化,则可以直接在产地消纳天然气或通过现有的天然气管道输运天然气,如此一来既充分利用了已有产业,又减少了重复投资,又避免了浪费。

对于以风电、光伏发电为主的新能源发电企业而言,由于风电、光伏发电的波动性较大,这些企业需要支付较高的辅助服务费用。而将配置了制氢系统的风电场或光伏发电系统再与可利用天然气来发电的燃气发电相结合,由于考虑到燃气轮机响应速度快,可以有效抵抗风电和光伏发电对电网产生的波动,减少辅助服务费用,使新能源发电企业获得更好的发电效益,从而也降低了电网的安全风险,使其变得更加稳定。

4 结论

本文分别介绍了风电制氢技术和氢气甲烷化技术,并讨论了风电制氢的甲烷化消纳的可行性。风电制氢是未来控制化石能源使用量和减少碳排放的主流方向,但是氢气的存储、输运和消纳问题在短时间内难以得到解决,而利用甲烷化反应将氢气转变为天然气后再进行消纳,可以充分利用现有的天然气管网,减少进行氢能利用时的投资。但目前这一路径中仍有许多关键技术需要突破,比如水电解槽的优化、甲烷化反应时的高转化率催化剂,以及更好的系统控制策略等。此外,还需要针对 P2G 的外部性作进一步的全生命周期效益分析。以期通过本文的探讨引起相关人员对风电制氢的甲烷化消纳的更多关注,并进行进一步的研究。


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