文 | 本刊記者范珊珊

利用可再生電力生產(chǎn)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(zhuǎn)型中互為補充。

在德國，可再生能源電力制氫已經(jīng)被很多業(yè)內(nèi)人士視為實現(xiàn)脫碳的重要路徑之一，利用光伏、風(fēng)電等可再生能源生產(chǎn)的電力，通過電解水和甲烷化的兩個步驟生產(chǎn)氫氣和甲烷，此過程也被稱為PtG/P2G。從電力到天然氣的生產(chǎn)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(chǎn)的氫氣可以直接使用，也可以通過氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷。

事實上，長久以來制氫工業(yè)在工業(yè)部門已經(jīng)十分成熟，大約超過95%的氫氣生產(chǎn)主要來自于化石燃料。蒸汽——甲烷重整 (SMR) 是最常見的氫氣生產(chǎn)方式，石油和煤炭氣化方式也被廣泛使用。

自過去十年以來，德國一直在進行PtG技術(shù)試驗，并且已經(jīng)將 PtG 技術(shù)列為利用可再生能源的一項重要的儲能技術(shù)，將其列入能源轉(zhuǎn)型計劃。雖然PtG技術(shù)被業(yè)內(nèi)看好，但截至目前德國僅有 35個PtG工廠正在運行，總?cè)萘考s為30MW，最大的裝機僅為6MW。其中大多數(shù)是小規(guī)模的試點或示范項目，并用于研究目的。

毫無疑問，利用可再生電力生產(chǎn)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(zhuǎn)型中互為補充。用可再生能源生產(chǎn)氫氣，從技術(shù)上有可能將大量可再生能源電力轉(zhuǎn)移到很難實現(xiàn)脫碳化的部門，例如工業(yè)、交通部門以及建筑和電力部門。

甲烷是天然氣的關(guān)鍵成分，甲烷化過程中使用的二氧化碳從空氣中捕獲，或從生物質(zhì)以及沼氣中捕獲，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，此過程就將不被視為是脫碳過程。

PtG劃算嗎？

PtG產(chǎn)生的能量具有很高的價值，合成氣體可用于長時間儲存并運輸良好，并且在生產(chǎn)中生產(chǎn)出工業(yè)所需的高溫。而根據(jù)使用現(xiàn)有技術(shù)，儲能電池無法存儲足夠的能量，或者以可承受的成本來平衡季節(jié)性波動。因此，德國目前使用傳統(tǒng)燃煤燃氣電廠進行調(diào)峰，并將在未來幾年繼續(xù)這樣做。

因而，PtG也可能是工業(yè)部門長期脫碳的關(guān)鍵。電解過程中產(chǎn)生鋼鐵生產(chǎn)等工藝所需的高溫。德國工業(yè)聯(lián)合會BDI于2018年初發(fā)布了氣候路徑研究報告，得出的結(jié)論是，到2050年德國要實現(xiàn)其溫室氣體排放量減少95%的上限目標，其整個天然氣供應(yīng)需要用沼氣和合成氣體代替，以降低工業(yè)燃燒過程產(chǎn)生的排放。

值得注意的是，合成燃料具有明顯的缺點。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(chǎn)過程需要消耗大量的可再生能源電力。電解之后，僅剩下約67-81%的能量，并且在甲烷化的步驟之后，僅留下約54-65%的能量。合成燃料的生產(chǎn)是費力的，并且它們總是比直接用電更昂貴且效率更低。

2018年由咨詢公司Enervis進行的一項分析，比較了10項關(guān)于電力轉(zhuǎn)化天然氣未來作用的不同研究，結(jié)果表明德國在減少二氧化碳排放方面更加雄心勃勃，對PtG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(wǎng)容量不足或者電網(wǎng)建設(shè)難度大成本高的情況下。在德國，由于高壓輸電線路建設(shè)的滯后，無法將北方的風(fēng)電運輸?shù)侥戏诫娏Ω咝枨蟮貐^(qū)，許多人已經(jīng)將PtG視為在德國北部利用剩余風(fēng)力發(fā)電的一種方式，然而，該技術(shù)僅在德國約30多個研究和試點項目中啟動并運行，而且這些技術(shù)仍遠未實現(xiàn)盈利。

如果沒有政府支持和監(jiān)管，PtG的高成本意味著它無法與傳統(tǒng)工藝進行競爭，國家需要出臺相關(guān)政策以扶持規(guī)?；耐茝V，例如規(guī)定合成氣在能源結(jié)構(gòu)中的配額，或者提高二氧化碳排放價格。

對于像德國這樣的工業(yè)國家，PtG的規(guī)?；囼炓矔眍~外的經(jīng)濟效益。世界各國面臨削減化石燃料使用的壓力，德國可從出口該技術(shù)中受益。

但在本土大規(guī)模生產(chǎn)合成氣的可能性有限。PtG投資屬于資本密集型。即使PtG設(shè)施已經(jīng)存在必要的規(guī)模，咨詢機構(gòu)Agora表示德國北部目前還沒有足夠的可再生電力供他們盈利。由于固定成本高，他們需要盡可能滿負荷運行。

一些研究人員表示，未來德國可能不得不進口大量合成氣。德國可能根本沒有足夠的空間需求所需的風(fēng)力渦輪機和太陽能電池板的數(shù)量來生產(chǎn)足夠的合成氣。

根據(jù)Nature Energy的一項研究，從可再生能源中生產(chǎn)氫氣在利基市場已經(jīng)具有成本競爭力，并且可能在十年內(nèi)在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中具有競爭力。慕尼黑工業(yè)大學(xué)聯(lián)合曼海姆大學(xué)和斯坦福大學(xué)商學(xué)院模擬了德國和德克薩斯州的能源市場。他們得出的結(jié)論是，如果最近的趨勢持續(xù)存在，并且通過某些監(jiān)管變化或激勵措施，使用可再生電力制氫可能比預(yù)期更有吸引力。

近期，輸電網(wǎng)運營商Amprion和天然氣輸電網(wǎng)運營商Open Grid Europe（OGE）對外宣稱，希望在德國進行工業(yè)規(guī)模級別的PtG技術(shù)測試，以便更好地將電力與其他部門整合。他們計劃建設(shè)50-100MW不等規(guī)模的設(shè)施，通過此過程可以為取暖和運輸提供無碳或碳中和燃料。“我們需要突破”，OGE的母公司Vier Gas Transport GmbH的董事總經(jīng)理Stephan Kamphues表示，現(xiàn)在是時候以工業(yè)規(guī)模打開行業(yè)的大門了。

據(jù)統(tǒng)計，在德國，16個工業(yè)規(guī)模的PtG項目仍在規(guī)劃中，未來PtG總產(chǎn)能將大幅增加（估計為273MW），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(jù)目前的規(guī)劃，“ELEMENT ONE”將于2022年逐步運營，“HYBRIDGE”將于2023年全面投入運營。

據(jù)咨詢機構(gòu)Agora的估算，在歐洲目前該技術(shù)成本大約在20-30歐分/千瓦時，如果2050年全國PtG的規(guī)?？梢赃_到100GW，成本將會降到10歐分/千瓦時。

Amprion董事會成員Klaus Kleinekorte表示，“德國為了完成退出核能以及退出煤炭的目標，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，使得千兆瓦尺寸的PtG技術(shù)準備就緒，這樣才能建立一個將不同能源部門聯(lián)系起來的系統(tǒng)?！?/p>