張健 孫天宇 王慶陽 任建興

（上海電力學院能源與機械工程學院 上海 200090）

對Power-to-Gas的環(huán)保性和經(jīng)濟性分析

張健 孫天宇 王慶陽 任建興

（上海電力學院能源與機械工程學院 上海 200090）

新能源的快速發(fā)展給中國的環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展帶來了巨大的推動力。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)能源的前進步伐，使得它的發(fā)展進入瓶頸期。在這樣的背景下，儲能技術(shù)為新能源的未來發(fā)展注入了新的活力，而在眾多儲能技術(shù)中Power-to-Gas是非常有前途的選擇。文章通過對該技術(shù)的環(huán)保性及經(jīng)濟性方面的計算分析，闡述了其在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢，顯現(xiàn)了該儲能技術(shù)的應(yīng)用價值。

新能源；儲能；Power-to-Gas；環(huán)保性；經(jīng)濟性

新能源由于其完全的零排放越來越多的得到各國的重視，它在各國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，歐洲以及美國等國的能源消耗中所占的比例。我們可以從圖1中知道，新能源在各國能源中長期規(guī)劃中占有重要的地位。

圖1 新能源在各國能源消耗中的比例

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)勢在于對環(huán)境的污染是最小的。但是，由于像風能，太陽能等發(fā)電對天氣的依賴度較高，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)代社會對電力的持續(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，各國都在為新能源發(fā)電研究配套的儲能技術(shù)，在這其中Power-to-gas(已下簡稱P2G)是現(xiàn)今最有潛力的儲能技術(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存，當電力短缺時通過多種發(fā)電方式將儲存能源再次轉(zhuǎn)化為電力。

圖2 P2G技術(shù)原理簡圖

當新能源發(fā)電不能并網(wǎng)時，比如晚上的風能質(zhì)量要好于白天，所以夜間風能的發(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”電力通過電解水的技術(shù)將電能轉(zhuǎn)化為氫能，我們將氫氣加以儲存，不僅可以當用電高峰來臨時可以通過燃料電池，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甲烷化過程生成甲烷，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)施予以儲存待需要時加以利用。由于天然氣行業(yè)已經(jīng)建立了眾多的管網(wǎng)運輸系統(tǒng)和天然氣儲存設(shè)施，有著TWH數(shù)量級別的儲存能力，這就使得P2G技術(shù)有著巨大的儲能優(yōu)勢。

2 P2G技術(shù)的優(yōu)勢

無論是生產(chǎn)的氫氣還是甲烷，都可以通過天然氣管道進行運輸，這就解決了電網(wǎng)擁堵的地點并非是電力消耗密集地點的問題。相比于電網(wǎng)堵塞、沖擊的風險天然氣管道運輸?shù)娘L險要小的多，因為天然氣行業(yè)擁有眾多的地上、地下的儲存設(shè)施來緩沖供需之間的不平衡；除此之外，天然氣行業(yè)擁有的TWH級別的儲存能力為電力能源的季節(jié)性儲存提供了可能，例如，冬天新能源多余的發(fā)電量可以儲存到夏季用電高峰時使用，而這是現(xiàn)在其他儲能技術(shù)所不能達到的。

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)電對環(huán)境所帶來的負面影響。傳統(tǒng)火力發(fā)電會不可避免的產(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)。

中國風力發(fā)電的裝機容量在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%。通過這些數(shù)據(jù)，可以對該技術(shù)的減排量作如下估算。

圖3 燃煤電廠煙氣排放（Kg/MW·h）

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

式中Qa-全年棄風量 Qp-全年風電發(fā)電量δ-棄風率

棄風儲存后再發(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（以風電為例）

4 2G經(jīng)濟性分析

P2G技術(shù)對電力的儲存減少了對化石燃料的使用，以某電廠279.39g/kW·h的煤耗為例，通過P2G技術(shù)可以節(jié)約255×104t的標準煤，每年節(jié)省人民幣大約1.6億元左右。同時也減少了對脫硫脫氮以及除塵設(shè)備的使用，節(jié)省了運行和維護成本。以600MW機組的脫硫脫氮運行成本為例作如下分析（不包括維護成本以及SCR機組催化劑的更換）。600MW機組每小時額定發(fā)電量為600MW·h,根據(jù)T=Qrp/600?？捎嬎愠鱿嗤l(fā)電量下600MW機組的運行時間大約為15000h。國家環(huán)?？偩忠?guī)定，脫硫機組必須與發(fā)電機組同步運行，所以脫硫機組年運行時間以15000h計算,石灰石100元/t,水價3.5元/t，電價0.5元/（kW·h），石膏50元/t，則石灰石-石膏法年運行費用計算結(jié)果如表2所示。

表2 石灰石-石膏法年運行費用

其中C1-各項目消耗量-單位時間消耗量q'-費用C2-各項目單價所以，通過所使用P2G儲能技術(shù)節(jié)約的脫硫運行成本（Ms1）大約為：

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

表3 SCR脫氮技術(shù)的運行成本

同理，通過采用P2G儲能技術(shù)節(jié)約的脫氮運行成本（Ms2）大約為：

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

5 P2G技術(shù)目前存在的問題

雖然P2G技術(shù)具有季節(jié)性儲能的優(yōu)勢，但是仍然存在著一些問題。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程以及氫氣與二氧化碳的甲烷化過程；其次，P2G技術(shù)不能對負荷變化做出快速響應(yīng)，這是因為目前電解水使用的電極以及甲烷化過程具有較長的冷啟動時間；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證，但是初期投資大，缺少統(tǒng)一的技術(shù)標準，市場規(guī)范以及政策上的支持。這些問題都使得P2G技術(shù)在商業(yè)推廣上遇到一些難題。

6 結(jié)語

本文簡要介紹了Power-to-Gas的技術(shù)原理，并對該技術(shù)的環(huán)保性與經(jīng)濟性作出分析。Power-to-Gas技術(shù)不僅具有季節(jié)性儲能，解決電網(wǎng)擁堵引起的沖擊或能源浪費的能力，其在節(jié)能減排方面也有著巨大的潛力。但是，效率和對負荷變化的響應(yīng)時間有待提高，需要對高效及快速響應(yīng)的電解水電極進行深入研究；同時優(yōu)化改進甲烷化過程，減少冷啟動時間，使該技術(shù)更好的適應(yīng)電網(wǎng)負荷的變化，為其商業(yè)化進程掃清障礙。

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張?。?989—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向為新能源儲能技術(shù)。