作為目前唯一一種可行的大規(guī)模跨季節(jié)儲(chǔ)能技術(shù)， Power to X（電轉(zhuǎn)X）一直被歐洲專家給予厚望：消納可再生能源的利器，能源轉(zhuǎn)型的基石、解決電網(wǎng)波動(dòng)的關(guān)鍵……這項(xiàng)在中國并不流行的技術(shù)何以擔(dān)此重任？本文為你詳細(xì)介紹。
技術(shù)原理
Power to X（P2X）與其說是一種儲(chǔ)能技術(shù)，不如說是一種技術(shù)理念。它的核心是利用電解水反應(yīng)生產(chǎn)氫氣，并將其與大量甲烷混合進(jìn)入天然氣管道，或是進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成甲烷或其他合成燃?xì)?。根?jù)終產(chǎn)物的不同，又可以分為Power to Gas （P2G），Power to Power（P2P），Power to Heat（P2H） 等多種形式。限于篇幅，本文僅詳細(xì)介紹目前最受重視的Power to Gas，其他的Power to X幾乎都是在Power to Gas 的基礎(chǔ)上與其他技術(shù)結(jié)合的結(jié)果。
Power to Gas儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理如圖：
圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]
Power to Gas 的第一步，也是最關(guān)鍵的一步，是用電解器將水電解為氫氣和氧氣。電解反應(yīng)分為陽極的氧化反應(yīng)和陰極的還原反應(yīng)。依照所使用的電解器的不同，載流子可以是OH-，H3O+或O2-：
圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]
該反應(yīng)的平衡電壓會(huì)受到受溫度、壓強(qiáng)的影響。溫度越高，壓強(qiáng)越低，平衡電壓越低，能量轉(zhuǎn)化效率越高，氫氣產(chǎn)生的速率越低。因此，在工業(yè)應(yīng)用中，電解廠需要平衡轉(zhuǎn)化效率和生產(chǎn)速率，找到最大盈利點(diǎn)。
平衡電壓與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系
圖片來源：參考資料[2]
由于純水的電離度低，導(dǎo)電性差，因此需要加入電解質(zhì)以增加導(dǎo)電性。電解槽根據(jù)電解液的不同，主要分為堿性電解槽（Alkalineelectrolysis，AE），質(zhì)子交換膜電解槽（Polymerelectrolyte membrane electrolysis，PEM）和固體氧化物電解槽（Solidoxide electrolysis ，SOEC）。
在上述三種電解槽中，堿性電解槽技術(shù)最為成熟，已經(jīng)進(jìn)入商用階段。堿性電解槽的電解液一般為KOH或NaOH溶液，載流子為OH-，可以在常壓或加壓環(huán)境下運(yùn)行。根據(jù)上圖，加壓環(huán)境下電解槽的效率更低，但是，由于氫氣在運(yùn)輸過程中往往需要加壓，而在高壓下制得的氫氣也處在高壓狀態(tài)，可以省去運(yùn)輸前的加壓環(huán)節(jié)。對(duì)于堿性電解槽來說，減壓帶來的效率的提升并不足以彌補(bǔ)額外加壓所需要的能耗，所以往往加壓堿性電解槽的整體效率反而更高。
堿性電解槽的功率調(diào)節(jié)范圍在20%~100%之前，并且可以在過載150%的條件下運(yùn)行。良好的功率調(diào)節(jié)特性使其特別適合應(yīng)用在Power to Gas中，因?yàn)橛煽稍偕茉窗l(fā)出的電力往往具有波動(dòng)性和間歇性。堿性電解槽最大的缺點(diǎn)在于所使用的電解液腐蝕性很強(qiáng)，這就導(dǎo)致它需要高昂的維護(hù)費(fèi)用。盡管如此，堿性電解槽的使用壽命約為8-12年，最高可以達(dá)到30年。
質(zhì)子交換膜電解槽的出現(xiàn)相對(duì)較晚。它的特點(diǎn)在于利用質(zhì)子交換膜的選擇透過性，在讓載流子H3O+通過，保證導(dǎo)電性的同時(shí)避免氧氣滲透，從而得到更高純度的氫氣。質(zhì)子交換膜電解槽的優(yōu)點(diǎn)在于冷啟動(dòng)快，靈活性強(qiáng)，產(chǎn)生的氫氣的純度極高。但是，由于質(zhì)子交換膜較為昂貴，而且需要鉑系貴金屬作為催化劑，質(zhì)子交換膜電解槽的價(jià)格居高不下。盡管近年來通過提高催化性活性等方式，大大降低了鉑的用量和成本，但是質(zhì)子交換膜電解槽的價(jià)格仍然接近同等產(chǎn)氣量的堿性電解槽的兩倍。此外，質(zhì)子交換膜電解槽的使用壽命較短，約為5年左右。
固體氧化物電解槽，或稱為高溫電解槽，在三種技術(shù)中出現(xiàn)的最晚，目前仍在實(shí)驗(yàn)階段。它所使用的電解液為二氧化鋯（ZrO2）和8% mol%的氧化釔（Y2O3）。在800-1000°C的高溫下，這兩種物質(zhì)能電離出導(dǎo)電性強(qiáng)的氧離子(O2-)作為載流子。由上圖可知，高溫下平衡電壓較低，電解反應(yīng)的效率較高，理論上可以達(dá)到100%。這也是固體氧化物電解槽最重要的優(yōu)點(diǎn)。但是，高溫同時(shí)意味著較高的熱能耗。雖然這一缺陷可以通過與其他放熱反應(yīng)耦合來彌補(bǔ)，但是，高溫帶來的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，較長的起停時(shí)間，以及昂貴的初投資，都使其難以適應(yīng)Power to Gas對(duì)系統(tǒng)靈活性的要求。
在得到氫氣之后，一種簡單的做法是將其直接注入天然氣管道中，與天然氣混用。但是，金屬長期暴露在氫氣氛圍中，材料會(huì)由于吸氫導(dǎo)致機(jī)械性能嚴(yán)重退化，發(fā)生脆斷（又稱氫脆）。另外，氫氣與天然氣的燃燒性質(zhì)也不相同。因此，氫氣只能以很低的濃度與天然氣混合，否則就需要大規(guī)模更換基礎(chǔ)設(shè)施以適應(yīng)天然氣中的氫氣。這就大大限制了天然氣管網(wǎng)的儲(chǔ)氫能力。另一種做法是將氫氣甲烷化，從而讓天然氣工業(yè)能夠在照常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)能更加低碳。
甲烷化過程中會(huì)發(fā)生多種反應(yīng)：
圖片來源：參考資料[2]
可以看出，高溫下反應(yīng)不僅可以生甲烷，還有可能生成CO。因此，催化劑的任務(wù)不僅進(jìn)是提高反應(yīng)速率，還要提高反應(yīng)的選擇性，這也是目前甲烷化催化劑研究的一個(gè)關(guān)鍵。根據(jù)所使用的催化劑的不同，甲烷化還可以分為生物甲烷化和催化甲烷化兩種。生物甲烷化主要利用微生物將氫氣轉(zhuǎn)化為甲烷。其優(yōu)點(diǎn)在于反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，但是缺點(diǎn)在于能量轉(zhuǎn)化效率較低，占地面積過大，目前僅用在小規(guī)模的項(xiàng)目中。催化甲烷化使用無機(jī)催化劑加速反應(yīng)，常用的催化劑包括鎳、釕、鈷、鐵等。目前，甲烷化的能量轉(zhuǎn)化效率在75%左右。
技術(shù)現(xiàn)狀
目前Power to Gas 面臨的最大的挑戰(zhàn)仍然是較低的能源轉(zhuǎn)化效率和居高不下的成本。能源轉(zhuǎn)化效率方面，Power to Gas 的整體效率在50%到70%之間，依照所選擇的設(shè)備類型、所需要的轉(zhuǎn)化次數(shù)的不同而不同。Powerto Gas 的成本主要取決于電解器的成本和電力價(jià)格，因此會(huì)受到當(dāng)?shù)仉娏κ袌霏h(huán)境的影響。更多關(guān)于Powerto Gas經(jīng)濟(jì)性的分析可以參考交能網(wǎng)的文章：
現(xiàn)有案例
目前Power to Gas 仍處在開發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段。截止到2016年1月，全球一共有49個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目，其中44個(gè)位于歐洲。下面兩張圖給出了自2004年起新增的Power to Gas項(xiàng)目的數(shù)量以及2016截止至2016年在運(yùn)行的Power to Gas項(xiàng)目在歐洲的分布。
圖片來源：參考資料[3]
從上圖可以看出，歐洲的Power to Gas項(xiàng)目主要分布在德國和丹麥，荷蘭和法國也開始重視Power to Gas的發(fā)展。這與他們的電價(jià)較低，且可再生能源比例較大不無關(guān)系。2017年丹麥的可再生能源發(fā)電比例達(dá)到47%，德國則為36%。下圖顯示了丹麥、法國、荷蘭、德國四個(gè)國家的年平均電價(jià)走勢：
圖片來源：參考資料[4]
在2018年10月，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《清潔能源消納行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020 年）》中，明確提到了要“探索可再生能源富余電力轉(zhuǎn)化為熱能、冷能、氫能，實(shí)現(xiàn)可再生能源多途徑就近高效利用?！案鶕?jù)參考資料[5]，Power to Gas在解決新能源消納問題上有很大的應(yīng)用前景。在考慮補(bǔ)貼和氧收益的條件下，僅需2~5年即可收回成本。
今年兩會(huì)，李克強(qiáng)總理提出了一般工商業(yè)電價(jià)再降10%的發(fā)展目標(biāo)。2019年起，可再生能源實(shí)行配額制，保證了一定比例的電力必定來源于可再生能源發(fā)電?？梢灶A(yù)見，隨著我國可再生能源行業(yè)的發(fā)展，電力價(jià)格下降、可再生能源發(fā)電比例增加將會(huì)是大勢所趨。Power to Gas也必將一步步走進(jìn)我們的視野，為可再生能源的發(fā)展增磚添瓦。
參考資料：
[1] ISEA RWTHAachen, Technologischer überblick zur Speicherung von Elektrizit?t, 2012
[2] G?tz M, Lefebvre J,M?rs F, et al. Renewable Power-to-Gas: A technological andeconomic review[J]. Renewable energy, 2016, 85: 1371-1390.
[3] ENEA (Jan 2016). ‘The Potential of Power-to-Gas
http://www.enea-consulting.com/wp-content/uploads/2016/01/ENEA-Consulting-The-potential-of-power-to-gas.pdf
[4] van Leeuwen C, Mulder M. Power-to-gas inelectricity markets dominated by renewables[J]. Applied energy, 2018, 232:258-272.
[5] 楊學(xué)軍, 許方. Power to Gas 經(jīng)濟(jì)模型分析 Economical Model Analysis of Power to Gas[J]. Journal of LowCarbon Economy, 2016, 5(04): 37.
