【特约综述】电化工（P2X）技术促进可再生能源消纳的可行技术路线是什么？
发布时间:2020-02-25
【编者按】本刊特邀请清华大学林今副教授、李佳蓉博士等撰写本文，研究了电转氨、电转甲烷、电转甲醇及电转汽油等电化工（P2X）技术在促进可再生能源消纳方面的价值潜力。本文受国家电网公司科技项目（兆瓦级制氢综合利用关键技术研究与示范）资助。
面向可再生能源消纳的电化工（P2X）
技术分析及其能耗水平对比
李佳蓉1，林今1，肖晋宇2，宋永华1,3，滕越4，高强5，宋洁6
（1．清华大学电机工程与应用电子技术系，电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室；2.全球能源互联网发展合作组织；3.澳门大学电子与计算机工程系；4.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院；5.国网浙江省电力有限公司；6.全球能源互联网研究院有限公司）
文章导读
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电转氢技术可将富余的可再生能源电能转化为化学能，氢在化工领域具有较大的应用潜力，发展面向可再生能源消纳的电化工（P2X）技术，是解决可再生能源弃电问题的一条可能途径。
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从中国可再生能源弃电现状及氢燃料电池领域可预见的市场规模入手，分析了P2X技术的未来需求。
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针对电转氨、电转甲烷、电转甲醇及电转汽油4种主要电化工技术，从市场规模、技术路线、能源转化效率以及示范工程进展4个方面进行了综述，对比分析了4种电化工技术的综合转换能效、单位电耗、边际电价、等效产量及市场占比五大主要技术经济指标。
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面向未来P2X技术的发展，同时对基于高温固体氧化物的高温电化工技术路线的方案与经济性进行了初步探讨与展望。
主要结论
基于低温电解技术路线的研究结果表明：电转甲烷与电转汽油技术综合能效较高（50%）；电转汽油技术最具经济性（边际电价为0.37元/kWh），但合成过程需要一氧化碳，碳排放与技术风险大；电转氨推广将对市场影响最大（原市场17.18%的氨产量）。此外，基于2018年中国可再生能源弃电数据，电转汽油的节煤意义显著（降低煤耗约2285万t/a），电转氨的环保意义显著（减少碳排放约3910万t/a），是未来电化工技术的两大重要发展方向。
研究数据
电化工（P2X）技术市场潜力
⬇ 氢能在燃料电池领域应用规模预测
年份 | 燃料电池汽车用氢量/万t | 燃料电池发电用氢量/万t | 燃料电池总用氢量/万t |
2020 | 5.6 | 8.76 | 14.36 |
2018年中国可再生能源弃电超过1000亿kWh，如采用基于碱性或质子交换膜电解技术（统称低温电解技术），可制得氢气约185.5万t，远大于14.36万t的燃料电池交通与发电年用氢量预测值，而现阶段我国化工市场中氢气年用量超过2000万t。因此，面对化工市场对氢气的巨大需求，将富余可再生能源通过P2X技术转化为主要化工产品注入化工市场，是解决近期内可再生能源消纳问题的一条可能途径。
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电化工（P2X）技术综述
P2X指通过以电转氢为核心的硬件系统，将电能转化成为氢气，然后与后续化工流程相结合，生成大宗化工产品，如氨、甲烷、甲醇、汽油等。
⬇四种传统电化工技术主要技术经济指标对比
对比项目 | 电转氨 | 电转 甲烷 | 电转 甲醇 | 电转 汽油 |
综合转换能效/% | 43 | 50 | 39 | 50 |
单位电耗 / （kWh·kg-1） | 12 | 28 | 14 | 18 |
边际电价/ （元·kWh-1） | 0.21 | 0.15 | 0.14 | 0.37 |
等效年产量/万t | 850 | 364 | 729 | 567 |
潜在市场占比/% | 17.18 | 4.69 | 10.45 | 4.65 |
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高温电化工技术前瞻
除目前技术已成熟的以低温电解制氢作为纽带连接电转氢与后续化工流程的电化工技术外，近年来随着高温电化学技术的成熟，一些电化工过程亦可通过直接电化学反应实现。这样的合成过程主要通过高温固态氧化物电池（SOEC）实现，统称高温电化工技术。
⬇ 四种高温电化工技术主要指标与瓶颈对比
对比项目 | 电转氨（电化学反应直接合成） | 电转甲烷（高温共电解直接合成） | 电转甲醇（高温共电解+醇化） | 电转汽油（高温共电解+费托） |
综合转换能效/% | 65 | 84 | 55 | 70 |
单位电耗/ （kWh·kg-1） | 8 | 17 | 10 | 13 |
边际电价/ （元·kWh-1） | 0.31 | 0.24 | 0.20 | 0.51 |
技术瓶颈 | 催化剂选型，反应速率慢 | 电池技术不成熟、成本高昂 | 电堆衰减问题, 电极材料及催化剂改进 | |
作者简介
李佳蓉
博士研究生
研究方向为电转氢、电转氨系统的优化运行、电网-化工供应链的优化设计等
Email：
jr-li16@mails.tsinghua.edu.cn
林今
博士，副教授，博士生导师
研究方向为新能源电力系统的运行控制、氢能的接入与控制、能源物联网等相关技术
Email：
linjin@mail.tsinghua.edu.cn
肖晋宇
博士，教授级高级工程师
研究方向为电力系统规划和能源电力新技术应用研究
Email：
jinyu-xiao@geidco.org
宋永华
博士，教授，英国皇家工程院院士
研究方向为智能电网、电力市场、多能源系统等
Email：
yhsong@mail.tsinghua.edu.cn
滕越
博士，工程师
研究方向为电网新材料、电网材料失效分析等相关技术
Email：
tengyue@mail.ustc.edu.cn
高强
硕士，高级工程师
研究方向为电网规划、新能源接入管理、能源物联网等相关技术
Email：
gaoqiang242@163.com
宋洁
硕士，高工
研究方向为新型储能与能源转化技术
Email：
songjie@geiri.sgcc.com.cn
本文引文信息
李佳蓉，林今，肖晋宇，等. 面向可再生能源消纳的电化工（P2X）技术分析及其能耗水平对比[J]. 全球能源互联网，2020，3(1)：86-96.
LI Jiarong, LIN Jin, XIAO Jinyu, et al. Technical and energy consumption comparison of power-to-chemicals (P2X) technologies for renewable energy integration[J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2020, 3(1): 86-96(in Chinese).
编辑：李锡
审核：白恺
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