上周我們介紹了電池技術(shù)，其中鋰電池是目前應(yīng)用比較廣泛的一種電儲能技術(shù)，但在儲能密度和儲能時間上來看仍具有一定的劣勢，相較于此，電轉(zhuǎn)氣技術(shù)（簡稱P2G或PtG）在這兩方面有著絕對的優(yōu)勢。這種通過將電力轉(zhuǎn)化為氣體燃料的技術(shù)，利用了電解水的化學(xué)過程產(chǎn)生了氫氣，氫氣可以直接使用或者通過其他步驟再轉(zhuǎn)化為合成氣體（例如甲烷或液化石油氣等），這種巧妙的轉(zhuǎn)換方式，在跨季節(jié)儲能上有著很好的應(yīng)用前景。通過電轉(zhuǎn)氣技術(shù)生成的氣體，不僅可以作為燃料通過燃燒生熱，也可以應(yīng)用于發(fā)電機的動力來源。除此之外，產(chǎn)生的氫能可以作為燃料電池，這也進(jìn)一步促進(jìn)了行業(yè)耦合，同時也推動了綜合能源技術(shù)的一體化進(jìn)程。
技術(shù)原理簡介
P2G技術(shù)原理主要涉及兩個重要的化學(xué)反應(yīng)過程。
過程1：電轉(zhuǎn)氫過程
該過程利用電能通過電解水的方式來產(chǎn)生氫氣并進(jìn)行儲存。常用的電解水技術(shù)包括堿性水點電解（AWE）和質(zhì)子交換膜電解（PEME）。
過程2：甲烷化過程
該過程是在1的基礎(chǔ)上，利用氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷合成氣。
技術(shù)分析
電轉(zhuǎn)氣技術(shù)通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生合成天然氣的過程，不僅實現(xiàn)了電能到天然氣的轉(zhuǎn)換，同時進(jìn)一步加深了電-氣綜合能源系統(tǒng)的耦合。P2G技術(shù)的響應(yīng)速度快，調(diào)度特性靈活的特性也可以提高風(fēng)電利用率，減少了棄風(fēng)現(xiàn)象。上一章中介紹的電池技術(shù)適用于頻繁的短期儲能，與之相比，PtG設(shè)備具有較大的儲能容量，更適用于長期儲能，兩者都可有效的輔助電網(wǎng)的調(diào)度。
Power to Gas綜合能源系統(tǒng)圖
電轉(zhuǎn)氣技術(shù)與可再生能源電力的結(jié)合，不僅可以減少二氧化碳的排放，而且還可以在長時間內(nèi)實現(xiàn)幾乎無損失的存儲。天然氣發(fā)電使電能以壓縮氣體的形式，通過現(xiàn)有的天然氣管道進(jìn)行儲存與運輸。合成天然氣可以用于工業(yè)和交通運輸?shù)念I(lǐng)域，例如區(qū)域鐵路運輸?shù)碾姎饣约皽p少公共交通中柴油車輛的使用率，進(jìn)一步激發(fā)了工業(yè)領(lǐng)域的脫碳潛力。并且多能源互聯(lián)系統(tǒng)也將信息技術(shù)，能源轉(zhuǎn)換技術(shù)結(jié)合在了一起，從而提高了能源開發(fā)和利用效率，并減少了對環(huán)境的負(fù)面影響。
下圖則展示了各種P2G技術(shù)的能源轉(zhuǎn)換效率，在這里值得注意的是，每一次轉(zhuǎn)化，都意味著更多的能量損失與設(shè)備資金的投入。
圖片來源：German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ?kologische Bewertung eines Windgas-Angebotes
目前P2G仍然受限于低能源轉(zhuǎn)化效率與居高不下的成本。但不可忽視的是，電解水制氫的成本降低進(jìn)展十分迅速，依照過去幾年經(jīng)驗，如果將堆棧輸出增加一倍，那么將成本降低約20％是可行的。并且現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，通過加壓可逆固體氧化物燃料電池的方法，可使往返效率達(dá)到80%。鑒于目前仍然偏低的生產(chǎn)數(shù)量可以預(yù)測，未來P2G技術(shù)經(jīng)濟性的進(jìn)一步提升仍具有巨大潛力。
技術(shù)經(jīng)濟性
雖然前景可觀，但依照現(xiàn)狀來看，PtG相關(guān)技術(shù)的投資成本仍然十分昂貴，此外運行效率低，運行壽命也受到了一定的限制，這些因素綜合導(dǎo)致了PtG廠站的運營成本很高，因而使得PtG難以在電力-天然氣綜合能源系統(tǒng)中獲得經(jīng)濟收益，其技術(shù)尚未達(dá)到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的程度。PtG 成本降低工作的重點應(yīng)主要放在電解，其次是儲氫，以及熱/材料回收和在特定部署方案中對技術(shù)經(jīng)濟環(huán)境績效的仔細(xì)評估。隨著投資成本降低、運行效率提高、競爭性能源市場的逐步開放和完善，外加適當(dāng)?shù)恼咝灾С郑ㄈ缫胩寂欧胖笜?biāo)等），相信該技術(shù)的經(jīng)濟性會得到很大的提升。
PtG技術(shù)的的部署方案
PtG 部署方案可按兩種類型進(jìn)行分類，其共同目標(biāo)是最大限度地利用發(fā)電和相應(yīng)資源，減少環(huán)境排放。在第一類情況下，PtG被部署到特定的區(qū)域或是全國能源系統(tǒng)中，其目標(biāo)是促進(jìn)穩(wěn)定電網(wǎng)，以減輕大量波動造成電力過剩的影響，并改善能源供應(yīng)的安全性。在第二類情況下，PtG 技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)或小型電力設(shè)施或其他分布式裝置的能源鏈中，以增強盈利能力。
下圖是PtG技術(shù)目前全球部署的地理概況，可以看到，大多數(shù)電轉(zhuǎn)氣技術(shù)都分布在歐洲，這也側(cè)面反映了可再生能源實施的進(jìn)程。目前受限的PtG部署可能與未來過剩發(fā)電的不確定性，電力和天然氣網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)不足以及該技術(shù)產(chǎn)品的儲存能力有關(guān)。PtG工廠容量在分布式規(guī)模部署方案中為1至80兆瓦，在國家/區(qū)域計劃中為0.2至110千兆瓦。
括號中的值（x,y,z）分別指示特定地理區(qū)域的區(qū)域/國家、分布式和核能輔助公開的 PtG 部署研究的數(shù)量（來源：A Review of Projected Power-to-Gas Deployment Scenarios）
德國相關(guān)政策與示范案例
2019年至2027年間，德國開始推出證書制度，對總產(chǎn)量1500兆瓦的產(chǎn)氫工廠進(jìn)行補貼。該計劃為Power to X的系統(tǒng)運營商獎勵的證書，可以在德國復(fù)興信貸銀行轉(zhuǎn)化為貨幣應(yīng)用。該項計劃的補貼率根據(jù)每個年份二氧化碳排放的規(guī)模調(diào)整，目前的起步價為每噸二氧化碳300歐元，到2027年將達(dá)到每噸150歐元，項目總?cè)谫Y額接近11億歐元。但目前電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的相關(guān)規(guī)定和系統(tǒng)運營、市場監(jiān)管框架仍然有許多不足之處，因此，在項目實際運營過程中，稅費、電費和利率等不確定因素將會帶來一定挑戰(zhàn)。
德國的能源轉(zhuǎn)型目標(biāo)，是將可再生能源發(fā)電量分別從2015年的32%提升至2030年的50%與2050年的80%，其中風(fēng)能在德國可再生能源電力結(jié)構(gòu)中占了很大比例，而由于風(fēng)能產(chǎn)電的不易存儲與不穩(wěn)定性，電轉(zhuǎn)氣的儲能技術(shù)在這里有了用武之地。
來源：Tennet
由德國的傳輸運營商Tennet, Gasunie Deutschland和Thyssengas一同開發(fā)的“Element One” 計劃已經(jīng)開始實施，目標(biāo)是率先實現(xiàn)電力和天然氣網(wǎng)絡(luò)的耦合，以推動能源轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。其項目具體計劃是在德國西北部的下薩克森州建設(shè)一座100兆瓦的天然氣試點發(fā)電廠，該工廠的調(diào)試將從2022年起逐步進(jìn)行。下薩克森州豐富的風(fēng)能資源與四通八達(dá)的天然氣網(wǎng)絡(luò)以及配套的儲能基礎(chǔ)設(shè)施，也為該項目提供了更扎實的基礎(chǔ)。新電廠的作用主要是收集和重新分配北海的海上風(fēng)電，并將這些電能轉(zhuǎn)換為天然氣，同時也進(jìn)一步開發(fā)了新的可再生能源儲存潛力。下薩克森州環(huán)境與能源部長Olaf Lies 將這個項目描述為該州轉(zhuǎn)變?yōu)槟茉创笾莸年P(guān)鍵信號，其表示會逐步制定相關(guān)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)業(yè)政策，并堅信氫能是能源轉(zhuǎn)型達(dá)成目標(biāo)的關(guān)鍵，而強大的儲能技術(shù)不僅能夠減少電網(wǎng)的負(fù)荷，也可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)擴展的成本。下圖所示為目前德國的電轉(zhuǎn)氣項目總體分布情況，其中藍(lán)色代表氫能，綠色代表天然氣?？梢钥吹?，德國電轉(zhuǎn)氣項目的分布廣泛而且均勻，這勢必將對未來大規(guī)模復(fù)雜燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)奠定扎實的基礎(chǔ)，也顯示了德國對能源轉(zhuǎn)型之路的布局與雄心。
來源：DVGW
我國的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)現(xiàn)狀
目前我國的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)主要是與氫能的應(yīng)用緊密結(jié)合在一起的，目的是為了實現(xiàn)可再生能源電力的轉(zhuǎn)換與存儲。早在十二五期間，我國也啟動了“基于可再生能源制/儲氫的70MPa加氫站研發(fā)及示范項目”，其重點研究了電轉(zhuǎn)氣技術(shù)在燃料電池汽車加氫站方面的應(yīng)用。同時也部署了“風(fēng)電直接制氫及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)研究與示范”項目，其目的是研究風(fēng)電制氫及燃料電池集成系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。未來基于儲能技術(shù)在電力調(diào)峰，提升可再生能源消納率等諸多方面的重要作用，作為關(guān)鍵儲能技術(shù)的電轉(zhuǎn)氣技術(shù)，規(guī)模適應(yīng)性強，終端應(yīng)用靈活多樣，可長期跨季節(jié)存儲，優(yōu)勢諸多，將是推動我國能源轉(zhuǎn)型與氣候改善的關(guān)鍵途徑。
參考資料：
1.German) Fraunhofer -Energiewirtschaftliche und ?kologische Bewertung eines Windgas-Angebotes
2.電轉(zhuǎn)氣技術(shù)的成本特征與運營經(jīng)濟性分析，劉偉佳
3.A Review of Projected Power-to-Gas Deployment Scenarios Abu Dhabi, UAE; [email protected]
4.100 MW power-to-gas project planned in Germany OCTOBER 17, 2018 SANDRA ENKHARDT
5. 能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵？儲能系統(tǒng)中的氫能與燃料電池應(yīng)用
作者 | 蔣冉止
編輯 | 張佳琪
