中文引文：蒋胜谦、张帆、滕华登等。 风电制氢甲烷化及消耗的可行性分析[J]. 太阳能，2022（03）：5-9。
DOI：10.19911/j.1003-0417..01 文章编号：1003-0417(2022)03-05-05
风电制氢甲烷化及消耗的可行性分析
姜胜谦、张帆、滕华登、刘俊峰
（三峡新能源阳江发电有限公司，阳江）
摘要：风电制氢是解决风电渗透率高的电网“弃风限电”问题的有效途径，而利用氢气甲烷化制备天然气是解决氢气问题的可行思路。储存、运输和消费。 介绍了风电制氢技术的基本原理及国内外发展现状，并探讨了制约其发展的主要因素； 然后介绍了氢气甲烷化技术的基本原理和相关技术的发展现状，并在此基础上探讨了风电制氢甲烷化和消费的可行性。 最后，结合我国能源产业发展现状，提出利用现有天然气产业体系推动风电制氢技术发展的思路。
关键词：风电； 消耗; 风力发电制氢； 甲烷化； 天然气; 可行性研究
CLC分类号：TK89 文档代码：A
0 前言
近年来，受气候变化、环境恶化等因素影响，各国纷纷实施减少碳排放的计划。 核心措施是减少化石能源的使用，同时增加可再生能源的使用。 我国可再生能源装机容量和增速在世界上名列前茅。 截至2020年底，我国可再生能源发电装机容量达到9.34亿千瓦，同比增长约17.5%； 其中风电装机容量2.81亿千瓦。 2020年，我国可再生能源发电量达到22148亿千瓦时，同比增长约8.4%； 其中，风力发电量4665亿千瓦时，同比增长约15%。 2020年，我国风电平均限电率为3%，比2019年同期下降1个百分点； 风电限电约166亿千瓦时。 情况有所改善。
目前，我国已建立可再生能源用电保障机制，“弃风”现象有所改善。 但随着风电装机容量的快速增长，未来风电渗透率较高的电网可能会出现风电消纳问题。 进一步凸显。 因此，利用风电制氢技术或储能技术是促进风电消纳、解决“弃风”问题的有效途径。
为解决“弃风限电”问题，国内外围绕风电制氢技术开展了大量研究，启动了一批风电制氢实验/示范项目。 同时也促进了氢能产业的发展。 例如：2020年3月，国家电投氢能技术开发有限公司与北京市昌平区人民政府签署战略合作框架协议。 双方将进一步加强在氢能产业技术创新、氢能创新基地建设等方面的合作； 2020年11月10日，呼和浩特市旭阳中燃能源有限公司与呼和浩特市清水河县人民政府签署氢能产业发展战略合作框架协议。 双方将聚焦重点领域合作，加快推进氢能高效综合利用示范项目建设。 根据建设进度，我们力争将呼和浩特打造成为氢能示范城市，通过不断的研发和应用，最终将呼和浩特打造成为氢能输出基地和北方氢能应用与装备制造研发基地中国。 然而，目前氢气的储存、运输和消费系统还不够完善，燃料电池的高成本也限制了风电制氢技术的发展。 然而，采用氢气甲烷化技术可以有效利用现有的天然气管网。 推动低成本制氢产业发展。 2013年6月，奥迪汽车公司在德国一座城市建设P2G（Power to Gas），利用风电、太阳能等剩余电力电解水产生氢气，然后提供给天然气管网可以与氢气混合； 或者进一步利用大气中的电、水和二氧化碳，通过甲烷化反应产生甲烷，提供天然气）装置，既可以为双燃料汽车提供燃料，也可以将多余的电力转化为天然气，然后进行运输到天然气管网。
本文介绍了风电制氢技术的基本原理和发展现状，并探讨了制约该技术发展的主要因素； 然后介绍了氢气甲烷技术的基本原理以及相关技术的研究现状，最后分析了风电甲烷化制氢的可行性。
1、风电制氢技术发展现状及制约因素
1.1 风电制氢技术基本原理
风电制氢是利用风力发电机产生的电能经过电力电子交换器电解水制氢的一种环保制氢方式。 根据风电是否通过电力系统消耗，风电制氢系统可分为并网风电制氢系统和离网风电制氢系统。 典型的并网/离网风电制氢系统主要由电网、风力发电机、电力电子转换器、制氢装置（电解槽）、水、燃气轮机/燃料电池等组成，其工作原理图为如图1所示。 风电制氢系统产生的氢气可以与天然气混合通过燃气轮机发电，也可以作为燃料电池的燃料。
风电制氢系统可以将产生的氢气作为清洁的高能燃料进行储存，并在需要时通过燃料电池提供电力和热量，使其具有与电池、抽水蓄能等新能源相同的储能功能方法。 ，有效降低弃风率，最大限度地利用风能资源。 对于并网风电制氢系统来说，风力发电机发出的超过电网容量的电力一般用于制氢。 产生的氢气可直接混入天然气管网或用作氢能汽车的燃料。 消耗性的。
对于离网风电制氢系统，多用于深海风电场等离网风电场，避免了建设输电线路的成本和输电过程中的损耗，并且可以集中储存和运输生产的氢气。氢。 这样就分散了成本。 并网/离网风电制氢系统电气结构如图2所示。
1.2 风电制氢技术发展现状
由于风电制氢技术零碳排放，成为全球化石能源向清洁能源转型中备受瞩目的清洁能源利用方式。 近年来吸引了大量研究人员参与相关研究，如：风电制氢系统可行性及控制策略、先进风力发电机技术和电解槽技术、风电制氢效益分析等。
关于风电制氢系统的应用，国内外学者讨论了并网/离网风电场配置风电制氢系统的可行性。 文献[1]模拟分析了变速风力发电机和制氢电解槽并联到电网的可行性。 协同控制策略减少风速波动对电网的影响，提高风能利用率； 文献[2]]分析了离网风电场配置风电制氢系统的可行性。 通过分析风力发电机的特性并选择合适的控制策略，离网风电制氢系统可行、可控； 文献[3]采用基于粒子群优化（PSO）的蒙特卡罗方法来检验包括风力涡轮机、制氢装置（电解槽）和燃料电池等子系统的微电网能量流动模式的优化。
风电制氢系统目前主要采用水电解技术，主要包括碱性水电解制氢（AE）、质子交换膜水电解制氢（PEM）、高温固体氧化物水电解制氢（SOE） ）。 虽然目前碱性水电解制氢技术非常成熟、成本低廉、应用广泛，但该技术制氢效率较低，且由于其电解液具有腐蚀性，泄漏会造成环境污染； 并且由于风电制氢系统中使用的电解槽需要应对风速波动的影响和频繁启停问题。 因此，碱性水电解制氢技术的适应性和安全性有待进一步提高。 目前质子交换膜水电解制氢技术采用对氢离子具有单向传导作用的隔膜来替代传统碱性水电解法中使用的透气隔膜。 可承受更大的压差，具有更好的动态响应性能，适应性更强。 风电的波动性； 该技术采用纯水电解液，避免了碱性电解液对设备的腐蚀，安全性更好，设备使用寿命更长[4]。 新兴的高温固体氧化物水电解制氢技术，理论产氢效率高达90%。 然而，由于该技术中电堆的性能衰减很快，因此需要材料上的突破和技术的优化控制。 [5]。
风电制氢系统的生命周期评估（LCA）和效益分析决定了风电制氢项目建设的可行性。 截至2021年1月，德国至少有35个P2G项目投入运营，总装机容量约为30兆瓦，其中最大装机容量为6兆瓦[6]。 文献[7]考虑了制氢方式对全球变暖的影响，在基础上综合评价了利用风电或水电等可再生能源电解制氢与利用化石能源发电的传统电网相比。全生命周期评估。 制氢的优点。 文献[8]采用平准化电费法和净现值法研究风电制氢系统的最优规模，考察风电制氢系统规模对多种因素的敏感性，以指导风电制氢制氢项目投资决策。
1.3 风电制氢技术发展的主要制约因素
从全球范围来看，目前风电制氢技术仍以实验示范项目为主，尚未大规模实施。 制约该技术发展的因素主要是制氢成本较高，以及氢气的储存、运输和消费等问题。 更加困难。 碱性水电解制氢技术相对成熟，成本低廉； 质子交换膜水电解制氢技术需要使用贵金属作为催化剂，成本较高； 而高温固体氧化物水电解制氢技术尚未成熟。 如果建设采用这种技术先进的大容量风电制氢项目，项目的固定成本将会更高。 对于氢气的运输，为了防止“氢腐蚀”和“氢脆”，需要采用碳纤维铝衬储氢拖车或专用不锈钢管道进行运输。 成本高，运输方式有限。 此外，加氢站建设尚未完成，燃料电池技术不成熟也是氢气终端消费能力不足的原因之一。
2 氢气甲烷化技术发展现状及趋势
2.1 氢气甲烷化技术基本原理
氢甲烷化是以氢气和二氧化碳为原料，利用催化剂（或电催化与催化剂结合）生产甲烷（低碳烯烃）的化学反应。 反应方程式可表示为：
式中：n为参与反应的二氧化碳分子数。
式(1)和式(2)中的反应均为分子数减少的放热反应。 因此，为了提高反应平衡时二氧化碳的转化率，一般需要使用贵金属作为催化剂，并在低温高压条件下进行反应。 。 然而，当电催化与铜催化剂结合时，氢气甲烷化反应可以在常温常压下进行，而且铜催化剂价格便宜，表现出良好的应用前景。
2.2 氢气甲烷化技术发展现状
氢气甲烷化技术可以将氢气转化为天然气，可以极大地解决氢气的储存、运输和消费问题。 目前工业上使用的氢气甲烷化技术主要是固定床甲烷化工艺，相对成熟可靠； 此外，还有流化床甲烷化、浆态床甲烷化和等温甲烷化工艺[9]。 为了提高氢气与二氧化碳平衡反应后甲烷的浓度，从热力学角度来看需要保持较低的反应温度，因此选择具有优异催化活性的催化剂显得尤为重要。
各国学者对氢气甲烷化技术的催化剂进行了大量的研究。 目前主流催化剂均采用第VIII族金属，其中镍基催化剂性能优异，如雷尼镍催化剂。 为了增加催化剂的比表面积，常采用氧化铝、二氧化硅、氧化锆、碳化硅、海泡石、分子筛、石墨烯和碳纳米管等作为催化剂载体。
此外，含有贵金属组分的催化剂在氢气甲烷化反应中也表现良好，但此类催化剂的成本相对较高。 此外，氢气甲烷化技术还可以采用电催化与催化剂相结合，利用电催化作用使二氧化碳和氢气发生反应。 根据催化剂和电解质的不同，该方法还可以衍生出多种电催化反应体系，生成的产物主要包括轻质烯烃、酸和醇。 反应过程中，通过控制电位和反应温度，可以控制反应产物的组分。 在一定的工况条件下，一些电催化反应系统产生的甲烷在最终产品中的比例接近100%。
目前氢气甲烷化技术使用的催化剂已具有良好的反应活性和产物选择性，但其寿命较短，且易受积碳影响而失活； 与此同时，他们的成本还需要进一步降低。 此外，氢气甲烷化技术所使用的装置需要具有更好的适应性，以应对原料气量波动和频繁启停的情况[10]。
3 风电制氢甲烷化消纳可行性及效益分析
目前，氢气配套储运体系尚不完善。 建设新的仓库、管道和加氢站成本极高，而且容易出现重复投资。 然而，通过氢气甲烷化技术将氢气制备成天然气可以非常有效。 解决氢气的储存和运输问题。 虽然广东沿海地区液化天然气（LNG）产业链发展迅速，但我国天然气仍主要依赖进口，而风电甲烷化制氢可以很好地填补我国天然气缺口，减少对天然气的影响。国际天然气价格波动对我国的影响。 天然气价格的影响。
我国“三北”和东南沿海地区是主要天然气进口地区。 “三北”天然气主要通过管道运输，东南沿海地区天然气主要通过LNG运输船运输。 同时，“三北”地区和东南沿海地区也是我国风资源集中地区，规划建设了多个风电场。 如果在这些地区进行风电甲烷化制氢，可以在生产现场直接消耗天然气，也可以通过现有天然气管道输送天然气，既充分利用了现有产业，又减少了重复投资并避免浪费。
对于以风电、光伏发电为主的新能源发电企业来说，由于风电、光伏发电的波动性较大，这些企业需要支付较高的配套服务费。 当配备制氢系统的风电场或光伏发电系统与可以使用天然气发电的燃气发电系统组合时，考虑到燃气轮机的快速响应速度，可以有效抵抗波动风电、光伏发电对电网造成的影响，减少辅助用电。 服务费使新能源发电公司获得更好的发电效益，从而也降低了电网的安全风险，使其更加稳定。
4。结论
本文分别介绍了风电制氢技术和氢气甲烷化技术，并探讨了风电制氢甲烷化消耗的可行性。 风电制氢是未来控制化石能源使用、减少碳排放的主流方向。 但氢气的储存、运输和消费问题短期内难以解决。 甲烷化反应用于将氢气转化为天然气，然后再进行下一步。 消费可以充分利用现有天然气管网，减少氢能利用投资。 但这条路径上仍有许多关键技术需要突破，如水电解槽的优化、甲烷化反应过程中的高转化率催化剂以及更好的系统控制策略等。 此外，还需要对 P2G 外部性进行进一步的生命周期效益分析。 希望通过本文的讨论，使相关人员更加关注风电制氢的甲烷化和消耗问题并进行进一步的研究。
[ 参考]
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