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清潔能源消納的利器P2X儲能,你了解嗎?

作者:林偉 來源:交能網 發布時間:2019-05-30 瀏覽:
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作為目前唯一一種可行的大規模跨季節儲能技術, Power to X(電轉X)一直被歐洲專家給予厚望:消納可再生能源的利器,能源轉型的基石、解決電網波動的關鍵……這項在中國并不流行的技術何以擔此重任?本文為你詳細介紹。

技術原理

Power to X(P2X)與其說是一種儲能技術,不如說是一種技術理念。它的核心是利用電解水反應生產氫氣,并將其與大量甲烷混合進入天然氣管道,或是進一步轉化成甲烷或其他合成燃氣。根據終產物的不同,又可以分為Power to Gas (P2G),Power to Power(P2P),Power to Heat(P2H) 等多種形式。限于篇幅,本文僅詳細介紹目前最受重視的Power to Gas,其他的Power to X幾乎都是在Power to Gas 的基礎上與其他技術結合的結果。

Power to Gas儲能系統的原理如圖:

圖片來源:參考文獻[1]

Power to Gas 的第一步,也是最關鍵的一步,是用電解器將水電解為氫氣和氧氣。電解反應分為陽極的氧化反應和陰極的還原反應。依照所使用的電解器的不同,載流子可以是OH-,H3O+或O2-:

圖片來源:參考文獻[2]

該反應的平衡電壓會受到受溫度、壓強的影響。溫度越高,壓強越低,平衡電壓越低,能量轉化效率越高,氫氣產生的速率越低。因此,在工業應用中,電解廠需要平衡轉化效率和生產速率,找到最大盈利點。


平衡電壓與溫度、壓強的關系

圖片來源:參考資料[2]

由于純水的電離度低,導電性差,因此需要加入電解質以增加導電性。電解槽根據電解液的不同,主要分為堿性電解槽(Alkalineelectrolysis,AE),質子交換膜電解槽(Polymerelectrolyte membrane electrolysis,PEM)和固體氧化物電解槽(Solidoxide electrolysis ,SOEC)。

在上述三種電解槽中,堿性電解槽技術最為成熟,已經進入商用階段。堿性電解槽的電解液一般為KOH或NaOH溶液,載流子為OH-,可以在常壓或加壓環境下運行。根據上圖,加壓環境下電解槽的效率更低,但是,由于氫氣在運輸過程中往往需要加壓,而在高壓下制得的氫氣也處在高壓狀態,可以省去運輸前的加壓環節。對于堿性電解槽來說,減壓帶來的效率的提升并不足以彌補額外加壓所需要的能耗,所以往往加壓堿性電解槽的整體效率反而更高。

堿性電解槽的功率調節范圍在20%~100%之前,并且可以在過載150%的條件下運行。良好的功率調節特性使其特別適合應用在Power to Gas中,因為由可再生能源發出的電力往往具有波動性和間歇性。堿性電解槽最大的缺點在于所使用的電解液腐蝕性很強,這就導致它需要高昂的維護費用。盡管如此,堿性電解槽的使用壽命約為8-12年,最高可以達到30年。

質子交換膜電解槽的出現相對較晚。它的特點在于利用質子交換膜的選擇透過性,在讓載流子H3O+通過,保證導電性的同時避免氧氣滲透,從而得到更高純度的氫氣。質子交換膜電解槽的優點在于冷啟動快,靈活性強,產生的氫氣的純度極高。但是,由于質子交換膜較為昂貴,而且需要鉑系貴金屬作為催化劑,質子交換膜電解槽的價格居高不下。盡管近年來通過提高催化性活性等方式,大大降低了鉑的用量和成本,但是質子交換膜電解槽的價格仍然接近同等產氣量的堿性電解槽的兩倍。此外,質子交換膜電解槽的使用壽命較短,約為5年左右。

固體氧化物電解槽,或稱為高溫電解槽,在三種技術中出現的最晚,目前仍在實驗階段。它所使用的電解液為二氧化鋯(ZrO2)和8% mol%的氧化釔(Y2O3)。在800-1000°C的高溫下,這兩種物質能電離出導電性強的氧離子(O2-)作為載流子。由上圖可知,高溫下平衡電壓較低,電解反應的效率較高,理論上可以達到100%。這也是固體氧化物電解槽最重要的優點。但是,高溫同時意味著較高的熱能耗。雖然這一缺陷可以通過與其他放熱反應耦合來彌補,但是,高溫帶來的系統不穩定性,較長的起停時間,以及昂貴的初投資,都使其難以適應Power to Gas對系統靈活性的要求。

在得到氫氣之后,一種簡單的做法是將其直接注入天然氣管道中,與天然氣混用。但是,金屬長期暴露在氫氣氛圍中,材料會由于吸氫導致機械性能嚴重退化,發生脆斷(又稱氫脆)。另外,氫氣與天然氣的燃燒性質也不相同。因此,氫氣只能以很低的濃度與天然氣混合,否則就需要大規模更換基礎設施以適應天然氣中的氫氣。這就大大限制了天然氣管網的儲氫能力。另一種做法是將氫氣甲烷化,從而讓天然氣工業能夠在照常運轉的同時能更加低碳。

甲烷化過程中會發生多種反應:

圖片來源:參考資料[2]

可以看出,高溫下反應不僅可以生甲烷,還有可能生成CO。因此,催化劑的任務不僅進是提高反應速率,還要提高反應的選擇性,這也是目前甲烷化催化劑研究的一個關鍵。根據所使用的催化劑的不同,甲烷化還可以分為生物甲烷化和催化甲烷化兩種。生物甲烷化主要利用微生物將氫氣轉化為甲烷。其優點在于反應在常溫下進行,但是缺點在于能量轉化效率較低,占地面積過大,目前僅用在小規模的項目中。催化甲烷化使用無機催化劑加速反應,常用的催化劑包括鎳、釕、鈷、鐵等。目前,甲烷化的能量轉化效率在75%左右。

技術現狀

目前Power to Gas 面臨的最大的挑戰仍然是較低的能源轉化效率和居高不下的成本。能源轉化效率方面,Power to Gas 的整體效率在50%到70%之間,依照所選擇的設備類型、所需要的轉化次數的不同而不同。Powerto Gas 的成本主要取決于電解器的成本和電力價格,因此會受到當地電力市場環境的影響。更多關于Powerto Gas經濟性的分析可以參考交能網的文章:

現有案例

目前Power to Gas 仍處在開發和實驗階段。截止到2016年1月,全球一共有49個試點項目,其中44個位于歐洲。下面兩張圖給出了自2004年起新增的Power to Gas項目的數量以及2016截止至2016年在運行的Power to Gas項目在歐洲的分布。

圖片來源:參考資料[3]

從上圖可以看出,歐洲的Power to Gas項目主要分布在德國和丹麥,荷蘭和法國也開始重視Power to Gas的發展。這與他們的電價較低,且可再生能源比例較大不無關系。2017年丹麥的可再生能源發電比例達到47%,德國則為36%。下圖顯示了丹麥、法國、荷蘭、德國四個國家的年平均電價走勢:

圖片來源:參考資料[4]

在2018年10月,國家發展改革委和國家能源局聯合印發的《清潔能源消納行動計劃(2018-2020 年)》中,明確提到了要“探索可再生能源富余電力轉化為熱能、冷能、氫能,實現可再生能源多途徑就近高效利用。“根據參考資料[5],Power to Gas在解決新能源消納問題上有很大的應用前景。在考慮補貼和氧收益的條件下,僅需2~5年即可收回成本。

今年兩會,李克強總理提出了一般工商業電價再降10%的發展目標。2019年起,可再生能源實行配額制,保證了一定比例的電力必定來源于可再生能源發電。可以預見,隨著我國可再生能源行業的發展,電力價格下降、可再生能源發電比例增加將會是大勢所趨。Power to Gas也必將一步步走進我們的視野,為可再生能源的發展增磚添瓦。

參考資料:

[1] ISEA RWTHAachen, Technologischer überblick zur Speicherung von Elektrizit?t, 2012

[2] G?tz M, Lefebvre J,M?rs F, et al. Renewable Power-to-Gas: A technological andeconomic review[J]. Renewable energy, 2016, 85: 1371-1390.

[3] ENEA (Jan 2016). ‘The Potential of Power-to-Gas

http://www.enea-consulting.com/wp-content/uploads/2016/01/ENEA-Consulting-The-potential-of-power-to-gas.pdf

[4] van Leeuwen C, Mulder M. Power-to-gas inelectricity markets dominated by renewables[J]. Applied energy, 2018, 232:258-272.

[5] 楊學軍, 許方. Power to Gas 經濟模型分析 Economical Model Analysis of Power to Gas[J]. Journal of LowCarbon Economy, 2016, 5(04): 37.

關鍵字:清潔能源 儲能

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