摘 要：面向儲(chǔ)能和減碳需求，以麥秸和木屑為原料，研究風(fēng)電耦合生物質(zhì)制甲醇技術(shù)，分析甲醇產(chǎn)率、儲(chǔ)能-釋能效率（即儲(chǔ)釋效率）生命周期碳排放以及甲醇純發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)模式的差異。不分離產(chǎn)物氣CO2時(shí)，僅CO2和CO單程轉(zhuǎn)化率對(duì)甲醇產(chǎn)率有明顯的影響，其值在0.970～1.104 kg/kg之間。電解水效率是提升儲(chǔ)釋效率的關(guān)鍵參數(shù)。熱電聯(lián)產(chǎn)模式的儲(chǔ)釋效率和碳排放均明顯優(yōu)于純發(fā)電模式。前者模式的儲(chǔ)釋效率范圍為46.1%～58.6%，接近壓縮空氣儲(chǔ)能；再生電能和熱能的碳排放強(qiáng)度范圍分別為37～77 g CO2/kWh和10～21 g CO2/MJ，均大幅低于相應(yīng)產(chǎn)品的當(dāng)前碳排放水平。以木屑為原料的碳排放大幅低于以麥秸為原料的碳排放。通過(guò)捕集產(chǎn)物氣CO2，甲醇產(chǎn)率、綠電功耗和儲(chǔ)釋效率降低，但能夠?qū)崿F(xiàn)生命周期零碳排放。

關(guān)鍵詞：甲醇；電解；生物質(zhì)；儲(chǔ)釋效率；零碳排放

中圖分類號(hào)：TK02 " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)能源“斷點(diǎn)續(xù)傳”，并可有效改善新能源波動(dòng)性和電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力［1］。電力多元轉(zhuǎn)化被視為一種極具前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，氫、甲烷、甲醇、氨等均可作為儲(chǔ)能載體。相較于氫，甲醇易液化、體積能量密度高、不易泄漏、不易自燃爆炸、便于存儲(chǔ)和輸送，是理想儲(chǔ)能載體之一。當(dāng)前甲醇主要由天然氣或煤轉(zhuǎn)化制備，而生物質(zhì)是可再生的碳中性資源，理論上是制備綠色甲醇的理想碳源。電解水制氫制氧為生物質(zhì)制取甲醇帶來(lái)新途徑［2-3］，即綠電耦合生物質(zhì)制甲醇技術(shù)。

此前相關(guān)研究較系統(tǒng)地開(kāi)展了綠電耦合生物質(zhì)制甲醇技術(shù)的過(guò)程指標(biāo)、能效和經(jīng)濟(jì)性，包括電解水性能、氣化及甲醇合成參數(shù)、合成轉(zhuǎn)化率、能量集成、電價(jià)等多種因素［2-5］。研究主要分析以甲醇為產(chǎn)品的能效，缺少包含甲醇利用的儲(chǔ)釋效率。為與其他儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比分析，尋找適宜利用場(chǎng)景，需研究以甲醇為儲(chǔ)能載體的儲(chǔ)釋效率。

另外，此前關(guān)于該技術(shù)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)的研究尚不充分。孫勇［6］研究了城市生活垃圾制取甲醇的效率、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)性，其中環(huán)境影響評(píng)價(jià)范圍有待擴(kuò)展和深化。在雙碳戰(zhàn)略下，應(yīng)使用生命周期方法（life cycle assessment， LCA）深入開(kāi)展綠電耦合生物質(zhì)制甲醇的碳排放評(píng)價(jià)，明確其碳排放競(jìng)爭(zhēng)力。研究對(duì)象及其功能單位是LCA的關(guān)鍵之一。此前研究以甲醇為評(píng)價(jià)對(duì)象，然而甲醇在本文中作為儲(chǔ)能載體，應(yīng)以再生的能量作為評(píng)價(jià)對(duì)象。

基于以上分析，本文研究綠電耦合生物質(zhì)制甲醇技術(shù)，分析其儲(chǔ)釋效率和生命周期碳排放，探索一種低碳甚至零碳儲(chǔ)能技術(shù)。

1 系統(tǒng)介紹

本文研究對(duì)象包括兩大部分（圖1）：1）甲醇生產(chǎn)，即綠電耦合生物質(zhì)制甲醇，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能作用；2）甲醇利用，該步驟釋放能量。由于甲醇便于存儲(chǔ)，本文不考慮甲醇存儲(chǔ)或運(yùn)輸環(huán)節(jié)。針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的目標(biāo)，選用高效的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)作為甲醇利用技術(shù)，并考慮“純發(fā)電”和“熱電聯(lián)產(chǎn)”兩種模式。由于相關(guān)的利用技術(shù)成熟，本文使用當(dāng)前工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)，不再開(kāi)展甲醇利用過(guò)程的建模，重點(diǎn)開(kāi)展甲醇制取過(guò)程的建模。

如圖2所示，水先經(jīng)水泵PM1升壓后進(jìn)入電解裝置WE。使用Aspen Plus的RStoic模型和Sep模型模擬電解水過(guò)程。產(chǎn)物H2經(jīng)過(guò)多級(jí)壓縮機(jī)CM1升壓，出口壓力比甲醇合成壓力高0.01 MPa，用于模擬管路和設(shè)備上的壓力損失及相應(yīng)能耗。電解水的系統(tǒng)能效為60%～76%（基于低位熱值）［7-8］。

1.1 基于電解水的氣化單元

以麥秸和木屑為代表原料，其組成見(jiàn)表1［9］。先干燥將水分控制在5%以內(nèi)。由于電解水提供充足的純氧，氣化器采用結(jié)構(gòu)和運(yùn)行簡(jiǎn)單的自熱式氣化器。純氧氣化和較高的氣化溫度均可有效減少焦油生成量。本文氣化溫度范圍800～1400 ℃，氣化壓力范圍0.1～4.0 MPa［10-11］。由于反應(yīng)溫度高，假設(shè)碳轉(zhuǎn)化率為99%，設(shè)備熱損失占原料能量的3%，氣化器壓降為5 kPa。

氣化過(guò)程的模擬由熱解和氣化重整兩步構(gòu)成，分別采用Aspen Plus的RYield和RGibbs模塊，其他細(xì)節(jié)和驗(yàn)證詳見(jiàn)文獻(xiàn)［12］。使用Design-Spec功能，自動(dòng)計(jì)算給定條件下所需的氧氣量。產(chǎn)物氣通過(guò)換熱器CL1降溫后凈化，采用Sep模塊模擬雜質(zhì)分離。然后，產(chǎn)物氣經(jīng)冷卻器CL2冷凝、壓縮機(jī)CM2升壓，最終出口壓力同樣比甲醇合成壓力高0.01 MPa。在常規(guī)流程中，壓縮后的產(chǎn)物氣直接進(jìn)入預(yù)熱器HTSG（不進(jìn)入CO2分離單元），與電解水產(chǎn)生的H2混合作為合成氣。電解水提供足夠的H2，能使合成氣的（H2-CO2）/（CO+CO2）比值達(dá)到2.05，后續(xù)無(wú)須合成氣成分調(diào)整。電解水量由合成所需的H2量自動(dòng)計(jì)算，副產(chǎn)物氧量多于氣化所需氧量，多余O2的利用不在本文研究范圍內(nèi)。

1.2 甲醇合成單元

產(chǎn)物氣和循環(huán)乏氣經(jīng)預(yù)熱器HTSG加熱至200 ℃，所需熱量來(lái)自本流程內(nèi)的余熱回收?；旌蠚膺M(jìn)入甲醇合成器，CO和CO2發(fā)生甲醇合成反應(yīng)。為了提高轉(zhuǎn)化率和選擇性，既要選擇優(yōu)異的催化劑，還要選擇適宜的溫度和壓力。目前工業(yè)上采用低壓甲醇合成工藝較多，本文設(shè)定為240 ℃和5.5 MPa。在當(dāng)前技術(shù)水平下，CO單程轉(zhuǎn)化率（[XCO]）為35%～67%，CO2單程轉(zhuǎn)化率（[XCO2]）相對(duì)較低，約為17%～28%［13-14］。另外，甲醇合成過(guò)程還會(huì)生成甲烷、乙醇、二甲醚、丙醇等副產(chǎn)物，其反應(yīng)轉(zhuǎn)化率一般不超過(guò)0.15%［15］。甲醇合成反應(yīng)器采用RStoic模型和PR-BM物性方法進(jìn)行模擬。

為提高合成氣的利用率，采用兩級(jí)閃蒸回收有用乏氣并循環(huán)使用。合成產(chǎn)物先降溫降壓至2.5 MPa和25 ℃［16］，然后進(jìn)入閃蒸器F1分離乏氣。為防止不凝性氣體的累積，3%的乏氣作為弛放氣送至燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)作為燃料，其余循環(huán)利用。F1的液相產(chǎn)物繼續(xù)降壓至約0.35 MPa，然后進(jìn)入閃蒸器F2，氣相產(chǎn)物同樣進(jìn)入燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)燃燒；液相產(chǎn)物粗甲醇進(jìn)入精餾單元。

1.3 甲醇精餾單元

采用三塔精餾系統(tǒng)分離提純甲醇［17］。精餾塔的模擬采用RadFrac模型和NRTL物性方法，預(yù)塔、加壓塔和常壓塔的板數(shù)分別為48、85和85，回流比分別為0.64、3.5和1.8。精餾后甲醇純度不低于99.85%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）［18］。精餾1 t甲醇的能耗為1.0～1.1 t蒸汽（約160 ℃，0.6 MPa），熱源來(lái)自本系統(tǒng)內(nèi)的余熱回收利用。

1.4 能量集成利用單元

氣化產(chǎn)物氣的冷卻、合成過(guò)程的放熱、合成產(chǎn)物的冷卻、馳放氣燃燒利用后的煙氣余熱均是有回收價(jià)值的熱量。干燥、氣化介質(zhì)預(yù)熱、合成氣預(yù)熱均需相應(yīng)的中低溫?zé)崃?。本文將以上回收熱與加熱按溫度匹配的原則進(jìn)行利用，多余的熱量送入有機(jī)朗肯發(fā)電單元ORC，所產(chǎn)生的電量用于補(bǔ)充本系統(tǒng)的電耗。假設(shè)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)裝置和ORC單元的凈效率分別為40%和25%。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 產(chǎn) 率

本文重點(diǎn)考查基于干燥無(wú)灰基生物質(zhì)的甲醇產(chǎn)率：

[Y=mMmFS] （1）

式中：[Y]——甲醇產(chǎn)率，kg/kg；[mFS]、[mM]——系統(tǒng)消耗的生物質(zhì)和產(chǎn)出的甲醇的質(zhì)量流量，kg/h，其中生物質(zhì)使用干燥無(wú)灰基數(shù)據(jù)。

2.2 儲(chǔ)釋效率

儲(chǔ)釋效率是評(píng)判儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。以甲醇作為儲(chǔ)能載體，本文綜合計(jì)入能量存儲(chǔ)和釋放過(guò)程的能量效率。在甲醇利用釋能環(huán)節(jié)，參考燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，考慮“純發(fā)電”和“熱電聯(lián)產(chǎn)”兩種利用方式，相應(yīng)的儲(chǔ)釋效率為：

[ηSR，P=QM?mMQFS?mFS+3.6?PGE×ηMtP×100%] （2）

[ηSR，C=QM?mMQFS?mFS+3.6?PGE×ηMtC×100%] （3）

式中：[ηSR，P]——純發(fā)電模式的儲(chǔ)釋效率，%；[QM]——甲醇的低位熱值，取為19.9 MJ/kg；[QFS]——干燥無(wú)灰基生物質(zhì)的低位熱值，MJ/kg；[PGE]——扣除系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電的綠電功率，kW；[ηSR，C]——熱電聯(lián)產(chǎn)模式的儲(chǔ)釋效率，%；[ηMtP]——純發(fā)電模式的甲醇利用能效，%；[ηMtC]——熱電聯(lián)產(chǎn)模式的甲醇利用能效。參考當(dāng)前主流燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的性能數(shù)據(jù)，兩者分別設(shè)為60%和90%，后者對(duì)應(yīng)熱電比1.06。

2.3 生命周期碳排放

使用SimaPro開(kāi)展生命周期碳排放評(píng)價(jià)，使用溫室效應(yīng)（global warming potential， GWP）作為碳排放量的核算指標(biāo)，主要考慮CO2和CH4等氣體。評(píng)價(jià)范圍包括：原料種植收獲、原料運(yùn)輸、甲醇生產(chǎn)、甲醇發(fā)電或熱電聯(lián)產(chǎn)等階段所需物質(zhì)、能量、水，追溯上游排放，并包含設(shè)備制造和工廠建設(shè)引起的碳排放。

參考目前生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的規(guī)模以及收集半徑的約束，假設(shè)本項(xiàng)目規(guī)模25 t/h生物質(zhì)?？紤]到本技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景是大規(guī)模儲(chǔ)能，通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度可服務(wù)多個(gè)可再生發(fā)電站，因此年利用小時(shí)數(shù)超過(guò)單個(gè)風(fēng)電或光伏電站。本文假設(shè)年利用小時(shí)數(shù)均為4000 h，壽命20 a，相應(yīng)的聯(lián)合循環(huán)電廠的規(guī)模約50 MW。本文暫不考慮生產(chǎn)與利用兩端可能存在的利用小時(shí)數(shù)差異，因?yàn)橄嗨萍夹g(shù)的設(shè)施建設(shè)對(duì)其碳排放的貢獻(xiàn)一般較小。

純發(fā)電模式下，再生電能的生命周期碳排放強(qiáng)度[CE，P]（g CO2/kWh）為：

[CE，P=GCH+GTP+GMP+GMU+GPCEP] （4）

式中：[GCH]、[GTP]、[GMP]、[GMU]和[GPC]——生命周期內(nèi)原料種植收獲、原料運(yùn)輸、甲醇生產(chǎn)、甲醇發(fā)電和工廠設(shè)施建設(shè)等階段的碳排放，g CO2；[EP]——純發(fā)電模式下生命周期內(nèi)甲醇再生的電量，kWh。

熱電聯(lián)產(chǎn)模式下，再生電能和再生熱能的生命周期碳排放強(qiáng)度[CE，C]（g CO2/kWh）和[CH，C]（g CO2/MJ）分別為：

[CE，C=11+k?GCH+GTP+GMP+GMU+GPCEC] （5）

[CH，C=k1+k?GCH+GTP+GMP+GMU+GPCHC] （6）

式中：[k]——熱電比；[EC]和[HC]——熱電聯(lián)產(chǎn)模式下再生的電量（kWh）和熱量（MJ）。

在種植收獲階段，由于植物的固碳作用，不計(jì)入生物質(zhì)含碳對(duì)應(yīng)的碳排放。[GCH]主要考慮土壤、化肥、農(nóng)藥、燃油和電力等因素引起的碳排放［19］。秸稈的碳排放需考慮谷物與秸稈之間的分配，本文采用經(jīng)濟(jì)分配法。小麥價(jià)格采用國(guó)家規(guī)定的2023年小麥最低收購(gòu)價(jià)格2.34元/kg?；蒉r(nóng)網(wǎng)麥秸價(jià)格在280～750元/t之間，考慮到優(yōu)質(zhì)秸稈的用途，本項(xiàng)目應(yīng)選取品質(zhì)偏低的秸稈，價(jià)格按380元/t計(jì)算。相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)和碳排放強(qiáng)度分別為0.14和134 g CO2/kg。木屑作為林業(yè)廢棄物，不計(jì)生長(zhǎng)階段的碳排放。

運(yùn)輸階段[GTP]主要考慮貨車油耗引起的直接排放。假設(shè)運(yùn)輸工具采用8 t級(jí)別中型柴油貨車，收集半徑35 km［20］。甲醇生產(chǎn)階段[GMP]源自消耗綠電的碳排放。使用SimaPro中國(guó)江蘇地區(qū)風(fēng)電的碳排放數(shù)據(jù)，即33 g CO2/kWh。由于甲醇所含的炭來(lái)自生物質(zhì)，在甲醇利用階段無(wú)需考慮碳排放，即[GMU]為零。最后，對(duì)于工廠設(shè)施建設(shè)[GPC]，使用SimaPro中甲醇工廠和燃?xì)獍l(fā)電工廠的碳排放數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)率

首先以麥秸為原料研究各參數(shù)對(duì)[Y]的影響。各參數(shù)范圍如上所述，其基準(zhǔn)值為：[TG=1100 ℃]，[pG=2 MPa]，[ηWE=68%]，[pWE=2.8 ]MPa，[XCO=0.51，XCO2=0.22]。[Y]在0.975～1.012 kg/kg之間，對(duì)[XCO2]和[XCO]的敏感系數(shù)均值分別為0.060和0.025，對(duì)其余變量的敏感系數(shù)的絕對(duì)值均小于0.005。[Y]隨CO和CO2單程轉(zhuǎn)化率的升高而升高，這是因?yàn)檠h(huán)次數(shù)減少，通過(guò)馳放氣排出系統(tǒng)的CO和CO2減少，原料利用率提高。

3.2 儲(chǔ)釋效率

以麥秸為原料，圖3展示了純發(fā)電模式下[ηSR，P]的范圍及變化，其中[ΔV/V0]為某參數(shù)相對(duì)其基準(zhǔn)值的變化率。[ηSR，P]在30.1%～35.0%之間。按敏感系數(shù)絕對(duì)值從大到小的順序，各參數(shù)的排序?yàn)閇ηWE、TG、XCO2、XCO、pG]和[pWE]，其均值分別為0.610、[-0.115]、0.051、0.041、0.009和0.008。不論[ηSR，P]的變化范圍或敏感度，電解水效率都是提高儲(chǔ)釋效率的關(guān)鍵。其次是氣化溫度，[ηSR，P]隨[TG]的升高而降低，說(shuō)明低溫氣化有利于提高儲(chǔ)釋效率。此外，[ηSR，P]隨其他參數(shù)的升高而升高。隨著[pG]從0.1 MPa升至0.5 MPa，[ηS]迅速升高；當(dāng)[pG]超過(guò)1 MPa后（對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)-50%），[ηSR，P]的增幅逐漸減弱。這說(shuō)明，當(dāng)高壓氣化技術(shù)不夠成熟和可靠之前，沒(méi)必要追求過(guò)高的氣化壓力。

[ηSR，C]在45.1%～52.5%之間。根據(jù)式（2）和式（3），[ηSR，P]與[ηSR，C]之間存在線性關(guān)系。因此，[ηSR，C]隨以上參數(shù)的變化趨勢(shì)以及敏感程度相同，不再討論?！凹儼l(fā)電”和“熱電聯(lián)產(chǎn)”兩種模式的主要差別在于：通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)模式，雖然再生的電量減少，但充分利用了熱能，從而使儲(chǔ)釋效率顯著提高15～18個(gè)百分點(diǎn)。這說(shuō)明產(chǎn)物甲醇應(yīng)優(yōu)先用于同時(shí)存在“熱電”需求的場(chǎng)景，例如綜合能源系統(tǒng)、集中供暖季。

為后續(xù)優(yōu)化提升儲(chǔ)釋效率，圖4展示了基準(zhǔn)工況下基于熱電聯(lián)產(chǎn)模式的儲(chǔ)能-釋能系統(tǒng)的能量輸入和輸出。主要輸入能量是綠電，占比約57%。在輸出側(cè)，余熱發(fā)電損失的占比（15.01%）最大，其后依次為電解水損失、其余損失、精餾損失。其中，其余損失指甲醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)內(nèi)的各種散熱損失、機(jī)械損失，例如氣化爐的散熱損失占比約為1.29%，該項(xiàng)的構(gòu)成繁多且難以顯著節(jié)能。精餾損失主要是冷卻精餾產(chǎn)物的冷卻損失，屬于低品位熱能，節(jié)能對(duì)提升儲(chǔ)釋效率的作用微弱?；鶞?zhǔn)工況下基于低位熱值的[ηWE]取值為67.7%，未來(lái)有一定的提升空間。綜合來(lái)看，提升電解水效率是最重要的方向。

3.3 生命周期碳排放

基于以上變量基準(zhǔn)值，麥秸和木屑的生命周期碳排放構(gòu)成如圖5所示。不論采用哪種原料，運(yùn)輸、工廠建設(shè)階段的碳排放占比都不超過(guò)8%。碳排放主要由種植階段和甲醇生產(chǎn)耗電引起。以麥秸為原料時(shí)，生命周期碳排放主要來(lái)自甲醇生產(chǎn)階段消耗的風(fēng)電（占比52.5%），其次是麥秸種植收獲（占比約43%）。由于木屑碳排放強(qiáng)度為零，以木屑為原料的生命周期碳排放主要來(lái)自甲醇生產(chǎn)階段消耗的風(fēng)電，占比高達(dá)92.6%。

3.4 當(dāng)前和優(yōu)化情景的儲(chǔ)釋效率和碳排放

本節(jié)分兩個(gè)情景討論儲(chǔ)釋效率：1）當(dāng)前情景，選用當(dāng)前成熟或主流的單元技術(shù)，即常壓氣化和質(zhì)子交換膜電解技術(shù)，氣化溫度為1200 ℃，[ηWE]和[pWE]分別為68%和5.6 MPa，[XCO]和[XCO2]分別為0.35和0.17；2）優(yōu)化情景，參考加壓煤氣化的運(yùn)行壓力以及固體氧化物電解技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合前述文獻(xiàn)報(bào)道的參數(shù)范圍，采用4 MPa加壓氣化，氣化溫度為800 ℃，[ηWE]和[pWE]分別為76%和2.5 MPa，[XCO]和[XCO2]分別為0.67和0.28。兩種情景下的儲(chǔ)釋效率和碳排放分別見(jiàn)表2和表3。

綠電耦合麥秸和木屑制甲醇的[Y]范圍分別為0.970～1.023 kg/kg和1.046～1.104 kg/kg。相比較當(dāng)前情景，優(yōu)化情景由于單程轉(zhuǎn)化率的提升，其產(chǎn)率提高約5%，儲(chǔ)釋效率提高

6～10個(gè)百分點(diǎn)。不過(guò)，高效電解水以及其他節(jié)能優(yōu)化將綠電功耗[PGE]降低21%。這意味著，相對(duì)于當(dāng)前情景，優(yōu)化場(chǎng)景下消納同樣規(guī)模的綠電需更多的原料。

對(duì)比當(dāng)前主流儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)釋效率，即抽水蓄能（70%～85%）、電化學(xué)儲(chǔ)能（85%～98%）和非補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能（40%～70%）［21］。即使在優(yōu)化情景下，本技術(shù)的儲(chǔ)釋效率仍較低。然而，即使以優(yōu)化情景計(jì)算，25 t/h麥秸和4000 h的利用小時(shí)數(shù)可存儲(chǔ)約413 GWh的電量，儲(chǔ)能容量巨大。因此，本技術(shù)應(yīng)瞄準(zhǔn)抽水蓄能和電化學(xué)儲(chǔ)能之外的應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)揮其儲(chǔ)能密度高、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、規(guī)模大的優(yōu)勢(shì)，選擇適合的地點(diǎn)和時(shí)間。例如，集中供暖季節(jié)、商業(yè)體和園區(qū)的供冷季等。

SimaPro提供的天然氣制甲醇的全球平均碳排放強(qiáng)度約為600 g CO2/kg?；诰G電耦合生物質(zhì)制甲醇技術(shù)，以麥秸為原料的甲醇碳排放為325～388 g CO2/kg，而以木屑為原料的甲醇碳排放為166～219 g CO2/kg?？梢?jiàn)該技術(shù)能提供低碳的甲醇產(chǎn)品。

從生命周期角度看（表3），采用純發(fā)電模式時(shí)，以麥秸和木屑為原料的再生電能的碳排放強(qiáng)度范圍分別為145～172 g CO2/kWh和74～97 g CO2/kWh，遠(yuǎn)低于當(dāng)前中國(guó)煤電、氣電以及電網(wǎng)平均碳排放。采用熱電聯(lián)產(chǎn)模式，再生電能的碳排放強(qiáng)度降低約50%，減碳作用進(jìn)一步增強(qiáng)?？梢?jiàn)該技術(shù)具有強(qiáng)大的減碳作用。

根據(jù)中國(guó)頒布的行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南，企業(yè)的外購(gòu)熱力的排放因子為110 g CO2/MJ。以本技術(shù)生產(chǎn)的甲醇為儲(chǔ)能載體，其供熱碳排放強(qiáng)度為10～21 g CO2/MJ，碳減排優(yōu)勢(shì)較大。另外，從生命周期碳排放的角度看，應(yīng)選擇熱電聯(lián)產(chǎn)作為甲醇利用方式。

3.5 面向零碳儲(chǔ)能的流程優(yōu)化及儲(chǔ)能指標(biāo)

以上結(jié)果表明，即使采用無(wú)碳排放的木屑，由于運(yùn)輸、綠電生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換過(guò)程能量損失等因素的累積，再生的電和熱具有減碳優(yōu)勢(shì)，但仍引起一定的碳排放。值得注意的是，生物質(zhì)產(chǎn)物氣中CO2體積分?jǐn)?shù)一般在15%以上。由于CO2濃度較高，適宜采用成熟的分離技術(shù)進(jìn)行CO2捕集，從而降低生命周期碳排放。據(jù)此優(yōu)化綠電耦合生物質(zhì)制甲醇流程，如圖2虛線框所示。由于變壓吸附和物理吸附等分離方法均運(yùn)行在加壓條件下，因此在CM2后增設(shè)CO2分離單元，以獲得足夠的壓力。CO2分離單元的能耗主要是壓縮功耗。假設(shè)分離獲得的高純度CO2被封存或固碳處理，相關(guān)的能耗及排放不在本文研究范圍內(nèi)。經(jīng)CO2分離單元處理后的產(chǎn)物氣進(jìn)入HTSG，其余流程保持不變。相應(yīng)的結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)分離產(chǎn)物氣CO2，可實(shí)現(xiàn)生命周期零碳排放，然而以麥秸為原料的CO2分離比（0.9585、0.7910）遠(yuǎn)高于以木屑為原料的分離比（0.5870、0.4313）。以麥秸為原料時(shí)，由于絕大部分CO2被分離捕集，其甲醇產(chǎn)率和功耗大幅下降，儲(chǔ)釋效率小幅下降。儲(chǔ)釋效率下降的原因主要有兩方面：1）分離CO2造成壓縮功耗損失；2）高效率的電解水單元的輸入能量占比降低，進(jìn)而引起系統(tǒng)能效降低。此時(shí)，綠電占總輸入能量的比例可能降至50%以下。綜上，通過(guò)捕集合成氣中CO2，綠電耦合生物制甲醇技術(shù)能實(shí)現(xiàn)零碳儲(chǔ)能，但需付出產(chǎn)率、功耗和儲(chǔ)釋效率降低的代價(jià)（對(duì)比表2）。為實(shí)現(xiàn)降低碳排放強(qiáng)度或?qū)崿F(xiàn)零碳排放，應(yīng)優(yōu)先使用不計(jì)種植生長(zhǎng)階段碳排放的生物質(zhì)廢棄物，例如木屑、餐廚垃圾等；其次是該階段碳排放低的生物質(zhì)原料。通過(guò)捕集產(chǎn)物氣中的CO2可實(shí)現(xiàn)零碳儲(chǔ)能，這是當(dāng)前各種儲(chǔ)能技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文研究了基于電解水制氫制氧的綠電耦合生物質(zhì)制甲醇技術(shù)的甲醇產(chǎn)率、儲(chǔ)能性能和生命周期碳排放，主要結(jié)論如下：

1）在不分離產(chǎn)物氣CO2的前提下，基于干燥無(wú)灰基麥秸和木屑的產(chǎn)率在0.970～1.104 kg/kg之間，僅對(duì)CO2和CO單程轉(zhuǎn)化率較為敏感。

2）純發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)模式下儲(chǔ)釋效率分別為30.8%～39.1%和46.1%～58.6%，主要對(duì)電解水效率、氣化溫度、CO2和CO單程轉(zhuǎn)化率等參數(shù)敏感。該技術(shù)應(yīng)優(yōu)先用于熱電聯(lián)產(chǎn)場(chǎng)景。

3）不捕集產(chǎn)物氣CO2時(shí)，本技術(shù)能制取低碳的甲醇，再生低碳的電和熱。通過(guò)捕集產(chǎn)物氣CO2，能實(shí)現(xiàn)生命周期零碳排放，但導(dǎo)致甲醇產(chǎn)率和綠電消納功率大幅降低，儲(chǔ)釋效率小幅降低。

4）本技術(shù)應(yīng)優(yōu)先消納不計(jì)種植生長(zhǎng)階段碳排放的生物質(zhì)廢棄物，其次使用該階段碳排放低的生物質(zhì)原料。

本技術(shù)的儲(chǔ)釋效率有待提高，未來(lái)應(yīng)探索其他高效電能轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用，從而提高整體能效。另外，本文僅研究了典型風(fēng)電碳排放，不同綠電的碳排放，甚至不同地區(qū)和技術(shù)水平下的碳排放差異較大，建議未來(lái)充分探討多種綠電的影響。考慮到生物質(zhì)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，甚至補(bǔ)貼，該技術(shù)可能存在成本優(yōu)勢(shì)，未來(lái)應(yīng)開(kāi)展生命周期跨度的經(jīng)濟(jì)性研究。

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ENERGY STORAGE-RELEASE EFFICIENCY AND CARBON EMISSION OF GREEN ELECTRIC COUPLING BIOMASS TO

METHANOL PRODUCTION

Song Guohui1，2，Zhao Liang3，Wang Jinping1，2，Wang Hongyan1，Xiao Jun4

（1. School of Energy and Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China；

2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Multi-Energy Integration and Flexible Power Generation Technology，

Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China；

3. College of Materials Science and Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China；

4. School of Energy and Environment， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract：Facing the demands of energy storage and decarbonization， the technology of methanol production from biomass coupled with wind power was studied using wheat straw and sawdust as feedstock. The performances were analyzed and evaluated including the methanol yield， the energy efficiency of storage-release processes （i.e.， storage-release efficiency）， the life cycle carbon emissions， and the differences between power generation model and cogeneration mode for methanol utilization. Without the separation of CO2 in product gas， only the one-way conversion rates of CO2 and CO have obvious impacts on the methanol yield， ranging from 0.970 to 1.104 kg/kg. The efficiency of water electrolysis is the key parameter to improve the storage-release efficiency. Both storage-release efficiency and carbon emission intensity under the cogeneration mode have significantly advantages over those under pure power generation mode. Under the cogeneration mode， the storage-release efficiency varies from 46.1% to 58.6%， which is similar to that of the compressed air energy storage. The ranges of carbon emission intensity of the regenerated electricity and thermal energy are 37-77 g CO2/kWh and 10-21 g CO2/MJ， respectively， which are significantly lower than the current levels of the products. The carbon emission intensities with sawdust as feedstock are significantly lower than those with wheat straw. "This technology with separation and capture of CO2 in product gas can achieve the zero-carbon emission in the life span at the cost of decreases in the methanol yield， power rate， and storage-release efficiency.

Keywords：methanol； electrolysis； biomass； storage-release efficiency； zero carbon emission