利用光伏、風能等可再生能源生產的電力,通過電解水和甲烷化的兩個步驟生產氫氣和甲烷,這一過程被稱為電轉氣(PtG)。從電力到天然氣的生產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,生產的氫氣可以直接使用,也可以通過氫氣與二氧化碳反應生成甲烷。
業(yè)界認為,將“綠色氫氣”(即使用可再生能源制成的氫氣)像石油一樣通過管道或專用船只輸送到世界的各個角落,這在未來會非常常見?!熬G色氫氣”或將成為繼石油、天然氣之后的世界第三大能源。
在德國,電轉氣已被業(yè)內人士視為實現脫碳的重要路徑之一。過去十年,德國一直在進行電轉氣技術試驗,已將該技術視為利用可再生能源的一項重要儲能技術,并列入能源轉型計劃。雖然電轉氣技術被業(yè)內看好,但截至目前德國僅有35個電轉氣工廠正在運行,總裝機容量為30兆瓦,最大的裝機容量僅為6兆瓦。其中多數是小規(guī)模的試點或示范項目,并用于研究目的。
毫無疑問,利用電轉氣技術生產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型中互為補充。用可再生能源電力生產氫氣,從技術上有可能將大量可再生能源電力轉移到很難實現脫碳化的部門,如工業(yè)、交通部門,以及建筑和電力部門。
甲烷是天然氣的關鍵成分,甲烷化過程中使用的二氧化碳從空氣中捕集,或從生物質和沼氣中捕集,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,此過程將不被視為脫碳過程。
電轉氣劃算嗎?
電轉氣過程中產生的能量有很高的價值,合成氣體可用于長時間儲存并運輸良好。但使用現有技術,儲能電池無法存儲足夠的能量,或以可承受的成本來平衡季節(jié)性波動。因此,德國目前還是使用傳統燃煤或燃氣電廠進行調峰,并將在未來幾年繼續(xù)這樣做。
電轉氣技術也可能是工業(yè)部門長期脫碳的關鍵。德國工業(yè)聯合會2018年初發(fā)布了氣候路徑研究報告,得出的結論是,到2050年,德國要實現溫室氣體排放量減少95%的上限目標,其整個天然氣供應需用沼氣和合成氣體代替,以降低工業(yè)燃燒過程產生的碳排放。
值得注意的是,電轉氣技術也有明顯的缺點。在電解、甲烷化和儲存過程中會損失大量能量,這意味著,生產過程需要消耗大量可再生能源電力。電解后,僅剩下67%~81%的能量,而在甲烷化步驟后,僅留下54%~65%的能量。這說明,電轉氣生產過程比較費力,并且比直接用電更昂貴且效率更低。
2018年,咨詢公司Enervis做了一項分析,比較了10項關于電轉氣技術未來應用的不同研究,得出的結論是,德國在減少碳排放方面更雄心勃勃,對電轉氣的需求將更大。
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,特別是在電網容量不足或電網建設難度大、成本高的情況下。在德國,由于高壓輸電線路建設的滯后,無法將北方的風電運輸到南方電力需求高地區(qū),許多人已將電轉氣視為在德國北部利用剩余風電的一種方式。然而,該技術僅在德國30多個研究和試點項目中啟動并運行,而且技術遠未實現盈利。
如果沒有政府支持和監(jiān)管,電轉氣的高成本意味著其無法與傳統工藝競爭,國家需要出臺相關政策扶持規(guī)?;耐茝V,如規(guī)定合成氣在能源結構中的配額,或提高碳排放價格。
對于德國這樣的工業(yè)國家,電轉氣的規(guī)?;囼炓矔眍~外的經濟效益。世界各國面臨削減化石燃料用量的壓力,德國可從出口該技術中受益。
但在本土大規(guī)模生產合成氣的可能性有限。咨詢機構Agora表示,德國北部目前沒有足夠的電力供電轉氣技術盈利。由于固定成本較高,電轉氣設施需要盡可能滿負荷運行。
根據Nature Energy雜志的一項研究,利用電轉氣技術在利基市場(是在較大的細分市場中具有相似興趣或需求的一小群顧客所占有的市場空間)已具有成本競爭力,且十年內可能在工業(yè)規(guī)模應用中具有競爭力。德國慕尼黑工業(yè)大學聯合曼海姆大學和斯坦福大學商學院模擬了德國和美國得克薩斯州的能源市場。得出的結論是,如果最近的趨勢持續(xù)存在,并且出現某些監(jiān)管變化或激勵措施,電轉氣技術可能比預期更有吸引力。
近期,輸電網運營商Amprion和天然氣輸電網運營商OGE對外宣稱,希望在德國進行工業(yè)規(guī)模級別的電轉氣技術測試,以便更好地將電力與其他部門整合。他們計劃建50~100兆瓦的設施,通過電轉氣過程可為取暖和運輸提供無碳或碳中和燃料。
據統計,在德國,16個工業(yè)規(guī)模的電轉氣項目仍在規(guī)劃中,未來總產能將大幅增加,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。根據目前規(guī)劃,ELEMENT ONE項目將于2022年運營,HYBRIDGE將于2023年全面投入運營。
據咨詢機構Agora的估算,歐洲目前電轉氣技術的成本約0.2~0.3歐元(約合0.22~0.33美元)/千瓦時,如果2050年可再生能源電力制氫規(guī)??梢赃_到100兆瓦,成本將降到0.1歐元/千瓦時。
Amprion公司董事會成員克勞斯表示,“德國為了完成退出核能和煤炭的目標,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,使得千兆瓦規(guī)模的電轉氣技術準備就緒,才能建立一個將不同能源部門聯系起來的系統”。