对Power-to-Gas的环保性和经济性分析

张健 孙天宇 王庆阳 任建兴

（上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090）

对Power-to-Gas的环保性和经济性分析

张健 孙天宇 王庆阳 任建兴

（上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090）

新能源的快速发展给中国的环境保护和经济发展带来了巨大的推动力。然而，新能源发电不能持续稳定的生产在一定程度上制约了它取代传统能源的前进步伐，使得它的发展进入瓶颈期。在这样的背景下，储能技术为新能源的未来发展注入了新的活力，而在众多储能技术中Power-to-Gas是非常有前途的选择。文章通过对该技术的环保性及经济性方面的计算分析，阐述了其在节能减排方面的优势，显现了该储能技术的应用价值。

新能源；储能；Power-to-Gas；环保性；经济性

新能源由于其完全的零排放越来越多的得到各国的重视，它在各国的最终能源消耗中所占的比例也逐步提升。图1是新能源在中国，欧洲以及美国等国的能源消耗中所占的比例。我们可以从图1中知道，新能源在各国能源中长期规划中占有重要的地位。

图1 新能源在各国能源消耗中的比例

与传统发电行业相比，例如煤电，天然气发电等，新能源发电最大的优势在于对环境的污染是最小的。但是，由于像风能，太阳能等发电对天气的依赖度较高，使得新能源发电的输出是间断性的。这样的电力输出特性是不能满足现代社会对电力的持续需求，造成了发电端和输配电终端之间的不匹配。这在很大程度上阻碍了新能源的快速发展。为了解决这样的供需之间的矛盾，各国都在为新能源发电研究配套的储能技术，在这其中Power-to-gas(已下简称P2G)是现今最有潜力的储能技术。

1 P2G的技术原理

P2G是一种全新的技术理念，它将传统的电网与天然气管网系统相结合，将不能并网的新能源发电转化为其他能源形式并予以储存，当电力短缺时通过多种发电方式将储存能源再次转化为电力。

图2 P2G技术原理简图

当新能源发电不能并网时，比如晚上的风能质量要好于白天，所以夜间风能的发电量要多于白天，但是夜晚是用电的低谷，我们可以把这样的“弃风”电力通过电解水的技术将电能转化为氢能，我们将氢气加以储存，不仅可以当用电高峰来临时可以通过燃料电池，CHP发电等方法将氢能转化为电能也可以将氢气作为化工原料加以利用；另一种方法，电解水产生的氢气可以与二氧化碳一起通过甲烷化过程生成甲烷，这是天然气的主要成分。因此，生产的甲烷可以接入天然气设施予以储存待需要时加以利用。由于天然气行业已经建立了众多的管网运输系统和天然气储存设施，有着TWH数量级别的储存能力，这就使得P2G技术有着巨大的储能优势。

2 P2G技术的优势

无论是生产的氢气还是甲烷，都可以通过天然气管道进行运输，这就解决了电网拥堵的地点并非是电力消耗密集地点的问题。相比于电网堵塞、冲击的风险天然气管道运输的风险要小的多，因为天然气行业拥有众多的地上、地下的储存设施来缓冲供需之间的不平衡；除此之外，天然气行业拥有的TWH级别的储存能力为电力能源的季节性储存提供了可能，例如，冬天新能源多余的发电量可以储存到夏季用电高峰时使用，而这是现在其他储能技术所不能达到的。

3 P2G环保性分析

P2G技术可以减轻许多传统火力发电对环境所带来的负面影响。传统火力发电会不可避免的产生烟气排放，而烟气中包含的二氧化硫，氮氧化物，粉尘以及二氧化碳对环境都有破坏作用。图3 显示的是一燃煤电厂具体的排放数据。

中国风力发电的装机容量在2014年将接近90GW，年发电量大约在1750×108kw·h。假设2014年全年的弃风率和2013的11%相同并且P2G的电力转化效率和电力再生产效率分别在70%和75%（CHP的热效率）左右，电网的接入效率为90%。通过这些数据，可以对该技术的减排量作如下估算。

图3 燃煤电厂烟气排放（Kg/MW·h）

全年弃风发电量为：Qa=Qp×δ=175000000000kW·h× 0.11=1.925×1010kW·h

式中Qa-全年弃风量 Qp-全年风电发电量δ-弃风率

弃风储存后再发电量：Qrp=Qa×α×β×γ =1.925×1010×0.70×0.75×0.9=9095625000kW·h／年

式中Qrp-再发电量α-P2G系统效率β-CHP热效率γ-并网接入效率

从图3可以得出，相比于传统燃煤电厂，P2G技术每生产1MW·h的电就会减少CO2830 Kg,NOX1.5 Kg,SO20.6Kg,粉尘0.1 Kgand NO0.05 Kg.

因此减排量,其中Qre=q×Qrp-减排量-每再发1MW·h电量的减排量代入上述数据，P2G技术全年减排量如表1所示。

表1 P2G年减排量估算（以风电为例）

4 2G经济性分析

P2G技术对电力的储存减少了对化石燃料的使用，以某电厂279.39g/kW·h的煤耗为例，通过P2G技术可以节约255×104t的标准煤，每年节省人民币大约1.6亿元左右。同时也减少了对脱硫脱氮以及除尘设备的使用，节省了运行和维护成本。以600MW机组的脱硫脱氮运行成本为例作如下分析（不包括维护成本以及SCR机组催化剂的更换）。600MW机组每小时额定发电量为600MW·h,根据T=Qrp/600。可计算出相同发电量下600MW机组的运行时间大约为15000h。国家环保总局规定，脱硫机组必须与发电机组同步运行，所以脱硫机组年运行时间以15000h计算,石灰石100元/t,水价3.5元/t，电价0.5元/（kW·h），石膏50元/t，则石灰石-石膏法年运行费用计算结果如表2所示。

表2 石灰石-石膏法年运行费用

其中C1-各项目消耗量-单位时间消耗量q'-费用C2-各项目单价所以，通过所使用P2G储能技术节约的脱硫运行成本（Ms1）大约为：

式中Q-P2G再发电量，P'-脱硫机组1MWh的运行成本同样我们估算出采用SCR技术的脱氮机组的年运行成本如表3所示。

表3 SCR脱氮技术的运行成本

同理，通过采用P2G储能技术节约的脱氮运行成本（Ms2）大约为：

式中Q-P2G发电量，P"-脱氮机组1MW·h的运行成本因此，每年仅脱硫及脱氮机组节约的费用在2亿元左右，具有较好的经济性。

5 P2G技术目前存在的问题

虽然P2G技术具有季节性储能的优势，但是仍然存在着一些问题。首先，目前的电解水再到生产电的效率并不高，一些示范性工程的效率在50%～70%之间，能量的损耗主要在电解水过程以及氢气与二氧化碳的甲烷化过程；其次，P2G技术不能对负荷变化做出快速响应，这是因为目前电解水使用的电极以及甲烷化过程具有较长的冷启动时间；最后，该技术仍处于研究发展阶段，其可行性在示范工程上得到验证，但是初期投资大，缺少统一的技术标准，市场规范以及政策上的支持。这些问题都使得P2G技术在商业推广上遇到一些难题。

6 结语

本文简要介绍了Power-to-Gas的技术原理，并对该技术的环保性与经济性作出分析。Power-to-Gas技术不仅具有季节性储能，解决电网拥堵引起的冲击或能源浪费的能力，其在节能减排方面也有着巨大的潜力。但是，效率和对负荷变化的响应时间有待提高，需要对高效及快速响应的电解水电极进行深入研究；同时优化改进甲烷化过程，减少冷启动时间，使该技术更好的适应电网负荷的变化，为其商业化进程扫清障碍。

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张健（1989—），男，江苏盐城人，硕士研究生，主要研究方向为新能源储能技术。