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(bǔ)充。

在德國(guó)，可再生能源電力制氫已經(jīng)被很多業(yè)內(nèi)人士視為實(shí)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(guò)電解水和甲烷化的兩個(gè)步驟生產(chǎn)氫氣和甲烷，此過(guò)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(guò)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(guò)氫氣與二氧化碳反應(yīng)生成甲烷。

事實(shí)上，長(zhǎng)久以來(lái)制氫工業(yè)在工業(yè)部門已經(jīng)十分成熟，大約超過(guò)95%的氫氣生產(chǎn)主要來(lái)自于化石燃料。蒸汽——甲烷重整 (SMR) 是最常見(jiàn)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(guò)去十年以來(lái)，德國(guó)一直在進(jìn)行PtG技術(shù)試驗(yàn)，并且已經(jīng)將 PtG 技術(shù)列為利用可再生能源的一項(xiàng)重要的儲(chǔ)能技術(shù)，將其列入能源轉(zhuǎn)型計(jì)劃。雖然PtG技術(shù)被業(yè)內(nèi)看好，但截至目前德國(guó)僅有 35個(gè)PtG工廠正在運(yùn)行，總?cè)萘考s為30MW，最大的裝機(jī)僅為6MW。其中大多數(shù)是小規(guī)模的試點(diǎn)或示范項(xiàng)目，并用于研究目的。

毫無(wú)疑問(wèn)，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(bǔ)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(shí)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(guò)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(lái)自化石能源，就像在目前的工業(yè)過(guò)程中那樣，此過(guò)程就將不被視為是脫碳過(guò)程。

PtG劃算嗎？

PtG產(chǎn)生的能量具有很高的價(jià)值，合成氣體可用于長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存并運(yùn)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(chǔ)能電池?zé)o法存儲(chǔ)足夠的能量，或者以可承受的成本來(lái)平衡季節(jié)性波動(dòng)。因此，德國(guó)目前使用傳統(tǒng)燃煤燃?xì)怆姀S進(jìn)行調(diào)峰，并將在未來(lái)幾年繼續(xù)這樣做。

因而，PtG也可能是工業(yè)部門長(zhǎng)期脫碳的關(guān)鍵。電解過(guò)程中產(chǎn)生鋼鐵生產(chǎn)等工藝所需的高溫。德國(guó)工業(yè)聯(lián)合會(huì)BDI于2018年初發(fā)布了氣候路徑研究報(bào)告，得出的結(jié)論是，到2050年德國(guó)要實(shí)現(xiàn)其溫室氣體排放量減少95%的上限目標(biāo)，其整個(gè)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(guò)程產(chǎn)生的排放。

值得注意的是，合成燃料具有明顯的缺點(diǎn)。在電解、甲烷化和儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)損失大量能量，這意味著生產(chǎn)過(guò)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(fèi)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(jìn)行的一項(xiàng)分析，比較了10項(xiàng)關(guān)于電力轉(zhuǎn)化天然氣未來(lái)作用的不同研究，結(jié)果表明德國(guó)在減少二氧化碳排放方面更加雄心勃勃，對(duì)PtG的需求將更大。

規(guī)?；那熬?/h2>

從中長(zhǎng)期來(lái)看，氫氣可成為遠(yuǎn)距離運(yùn)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(guó)，由于高壓輸電線路建設(shè)的滯后，無(wú)法將北方的風(fēng)電運(yùn)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(guó)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(guó)約30多個(gè)研究和試點(diǎn)項(xiàng)目中啟動(dòng)并運(yùn)行，而且這些技術(shù)仍遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)盈利。

如果沒(méi)有政府支持和監(jiān)管，PtG的高成本意味著它無(wú)法與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)家需要出臺(tái)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(jià)格。

對(duì)于像德國(guó)這樣的工業(yè)國(guó)家，PtG的規(guī)?；囼?yàn)也會(huì)帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)效益。世界各國(guó)面臨削減化石燃料使用的壓力，德國(guó)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(jī)構(gòu)Agora表示德國(guó)北部目前還沒(méi)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(fù)荷運(yùn)行。

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

根據(jù)Nature Energy的一項(xiàng)研究，從可再生能源中生產(chǎn)氫氣在利基市場(chǎng)已經(jīng)具有成本競(jìng)爭(zhēng)力，并且可能在十年內(nèi)在工業(yè)規(guī)模應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)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(guó)和德克薩斯州的能源市場(chǎng)。他們得出的結(jié)論是，如果最近的趨勢(shì)持續(xù)存在，并且通過(guò)某些監(jiān)管變化或激勵(lì)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(yùn)營(yíng)商Amprion和天然氣輸電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商Open Grid Europe（OGE）對(duì)外宣稱，希望在德國(guó)進(jìn)行工業(yè)規(guī)模級(jí)別的PtG技術(shù)測(cè)試，以便更好地將電力與其他部門整合。他們計(jì)劃建設(shè)50-100MW不等規(guī)模的設(shè)施，通過(guò)此過(guò)程可以為取暖和運(yùn)輸提供無(wú)碳或碳中和燃料?！拔覀冃枰黄啤保琌GE的母公司Vier Gas Transport GmbH的董事總經(jīng)理Stephan Kamphues表示，現(xiàn)在是時(shí)候以工業(yè)規(guī)模打開(kāi)行業(yè)的大門了。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在德國(guó)，16個(gè)工業(yè)規(guī)模的PtG項(xiàng)目仍在規(guī)劃中，未來(lái)PtG總產(chǎn)能將大幅增加（估計(jì)為273MW），其中“HYBRIDGE”和“ELEMENT ONE”兩個(gè)項(xiàng)目將在德國(guó)下薩克森州的兩個(gè)不同地點(diǎn)選址。根據(jù)目前的規(guī)劃，“ELEMENT ONE”將于2022年逐步運(yùn)營(yíng)，“HYBRIDGE”將于2023年全面投入運(yùn)營(yíng)。

據(jù)咨詢機(jī)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(shí)，如果2050年全國(guó)PtG的規(guī)模可以達(dá)到100GW，成本將會(huì)降到10歐分/千瓦時(shí)。

Amprion董事會(huì)成員Klaus Kleinekorte表示，“德國(guó)為了完成退出核能以及退出煤炭的目標(biāo)，給整個(gè)能源行業(yè)帶來(lái)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(zhǔn)備就緒，這樣才能建立一個(gè)將不同能源部門聯(lián)系起來(lái)的系統(tǒng)。”

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