對Power-to-Gas的環保性和經濟性分析

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）

對Power-to-Gas的環保性和經濟性分析

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）

新能源的快速發展給中國的環境保護和經濟發展帶來了巨大的推動力。然而，新能源發電不能持續穩定的生產在一定程度上制約了它取代傳統能源的前進步伐，使得它的發展進入瓶頸期。在這樣的背景下，儲能技術為新能源的未來發展注入了新的活力，而在眾多儲能技術中Power-to-Gas是非常有前途的選擇。文章通過對該技術的環保性及經濟性方面的計算分析，闡述了其在節能減排方面的優勢，顯現了該儲能技術的應用價值。

新能源；儲能；Power-to-Gas；環保性；經濟性

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

與傳統發電行業相比，例如煤電，天然氣發電等，新能源發電最大的優勢在于對環境的污染是最小的。但是，由于像風能，太陽能等發電對天氣的依賴度較高，使得新能源發電的輸出是間斷性的。這樣的電力輸出特性是不能滿足現代社會對電力的持續需求，造成了發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展。為了解決這樣的供需之間的矛盾，各國都在為新能源發電研究配套的儲能技術，在這其中Power-to-gas(已下簡稱P2G)是現今最有潛力的儲能技術。

1 P2G的技術原理

P2G是一種全新的技術理念，它將傳統的電網與天然氣管網系統相結合，將不能并網的新能源發電轉化為其他能源形式并予以儲存，當電力短缺時通過多種發電方式將儲存能源再次轉化為電力。

圖2 P2G技術原理簡圖

當新能源發電不能并網時，比如晚上的風能質量要好于白天，所以夜間風能的發電量要多于白天，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將電能轉化為氫能，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發電等方法將氫能轉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，生產的甲烷可以接入天然氣設施予以儲存待需要時加以利用。由于天然氣行業已經建立了眾多的管網運輸系統和天然氣儲存設施，有著TWH數量級別的儲存能力，這就使得P2G技術有著巨大的儲能優勢。

2 P2G技術的優勢

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

3 P2G環保性分析

P2G技術可以減輕許多傳統火力發電對環境所帶來的負面影響。傳統火力發電會不可避免的產生煙氣排放，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境都有破壞作用。圖3 顯示的是一燃煤電廠具體的排放數據。

中國風力發電的裝機容量在2014年將接近90GW，年發電量大約在1750×108kw·h。假設2014年全年的棄風率和2013的11%相同并且P2G的電力轉化效率和電力再生產效率分別在70%和75%（CHP的熱效率）左右，電網的接入效率為90%。通過這些數據，可以對該技術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-全年風電發電量δ-棄風率

棄風儲存后再發電量：Qrp=Qa×α×β×γ =1.925×1010×0.70×0.75×0.9=9095625000kW·h／年

式中Qrp-再發電量α-P2G系統效率β-CHP熱效率γ-并網接入效率

從圖3可以得出，相比于傳統燃煤電廠，P2G技術每生產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1MW·h電量的減排量代入上述數據，P2G技術全年減排量如表1所示。

表1 P2G年減排量估算（以風電為例）

4 2G經濟性分析

P2G技術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技術可以節約255×104t的標準煤，每年節省人民幣大約1.6億元左右。同時也減少了對脫硫脫氮以及除塵設備的使用，節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機組每小時額定發電量為600MW·h,根據T=Qrp/600。可計算出相同發電量下600MW機組的運行時間大約為15000h。國家環保總局規定，脫硫機組必須與發電機組同步運行，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儲能技術節約的脫硫運行成本（Ms1）大約為：

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

表3 SCR脫氮技術的運行成本

同理，通過采用P2G儲能技術節約的脫氮運行成本（Ms2）大約為：

式中Q-P2G發電量，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約的費用在2億元左右，具有較好的經濟性。

5 P2G技術目前存在的問題

雖然P2G技術具有季節性儲能的優勢，但是仍然存在著一些問題。首先，目前的電解水再到生產電的效率并不高，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技術不能對負荷變化做出快速響應，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，該技術仍處于研究發展階段，其可行性在示范工程上得到驗證，但是初期投資大，缺少統一的技術標準，市場規范以及政策上的支持。這些問題都使得P2G技術在商業推廣上遇到一些難題。

6 結語

本文簡要介紹了Power-to-Gas的技術原理，并對該技術的環保性與經濟性作出分析。Power-to-Gas技術不僅具有季節性儲能，解決電網擁堵引起的沖擊或能源浪費的能力，其在節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時間有待提高，需要對高效及快速響應的電解水電極進行深入研究；同時優化改進甲烷化過程，減少冷啟動時間，使該技術更好的適應電網負荷的變化，為其商業化進程掃清障礙。

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張健（1989—），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。