目前備受關(guān)注的氨氫儲(chǔ)能和液態(tài)陽光（甲醇）儲(chǔ)能，其本質(zhì)是電轉(zhuǎn)X（Power-to-X）工藝，即將可再生能源產(chǎn)生電力-電解水制綠氫-綠氫+CO2或者N2獲得綠色甲醇（“液態(tài)陽光”）或者綠氨，實(shí)現(xiàn)可再生能源的存儲(chǔ)、分配和利用。這一概念最早由德國(guó)學(xué)者在上世紀(jì)初提出，即模擬光合作用，將太陽能和風(fēng)能，通過電解水制氫，H2/CO2進(jìn)行甲烷化反應(yīng)生產(chǎn)甲烷CH4（合成天然氣SNG）并注入/存儲(chǔ)于發(fā)達(dá)的天然氣管網(wǎng)中。雖然SNG燃燒后仍會(huì)產(chǎn)生碳排放，但由于其生產(chǎn)過程中消耗了CO2，整體上實(shí)現(xiàn)了CO2的循環(huán)利用，是一種凈零排放的零碳綠色天然氣。該過程被稱作電轉(zhuǎn)氣Power-to-Gas（PtG）工藝，或者電轉(zhuǎn)甲烷Power-to-Methane，并獲取了一系列的專利授權(quán)。在PtG工藝提出后，眾多學(xué)者受到啟發(fā)，相繼提出了Power-to-eFuels、Power-to-Liquids、Power-to-Ammonia、Power-to-Chemicals，即電轉(zhuǎn)燃料、電轉(zhuǎn)液、電轉(zhuǎn)氨、電轉(zhuǎn)化工品等工藝概念。
截至2019年全球約有146個(gè)電解水制氫工業(yè)示范項(xiàng)目，其中60個(gè)項(xiàng)目是包含H2/CO2甲烷化工藝的電轉(zhuǎn)甲烷項(xiàng)目。在H2/CO2甲烷化技術(shù)方面，目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的公司僅有德國(guó)的Man Energy和Electrochaea。前者采用化學(xué)法甲烷化（高溫高壓、鎳基催化劑），是德國(guó)大眾旗下子公司。后者采用生物法甲烷化（低溫低壓、厭氧菌生物催化劑），其投資方除知名風(fēng)險(xiǎn)投資公司外，還包括能源巨頭法國(guó)燃?xì)饧瘓F(tuán)下屬STORENGY、大型油服公司美國(guó)貝克休斯和可再生能源服務(wù)商瑞士Energie360o。
中國(guó)石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院李葉青團(tuán)隊(duì)早在2015年即成功開展了H2/CO2生物法甲烷化的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，以厭氧菌群做為生物催化劑催化合成甲烷。該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，原料氣不限于H2/CO2，可利用沼氣、氫氣、合成氣、熱解氣等作為氣源。在半連續(xù)運(yùn)行100余天過程中未發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，甲烷含量大于92% （H2:CO2=4:1）；系統(tǒng)最大處理能力為12.6 m3/m3/d （原料配比H2:CO:CO2=5:4:1，5L反應(yīng)器，連續(xù)運(yùn)行1個(gè)月），容積甲烷產(chǎn)率為3 m3/m3/d （原料配比H2:CO:CO2=5:4:1）。目前團(tuán)隊(duì)已著手進(jìn)行放大中試，將通過引入氣體分布等手段將甲烷化效率提高到對(duì)標(biāo)世界頂尖公司的水平。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正聯(lián)合北京中研正達(dá)綠色科技有限公司與相關(guān)企業(yè)和政府接洽落地，為未來大規(guī)模推廣做準(zhǔn)備。
李教授團(tuán)隊(duì)提出了風(fēng)光、電網(wǎng)、碳捕集、燃?xì)夤芫W(wǎng)和交通能源系統(tǒng)耦合的綜合能源碳中和網(wǎng)絡(luò)，交通能源系統(tǒng)除了純電動(dòng)車和氫燃料電池車外，還引入了CNG/LNG車，后者與燃料電池車相比技術(shù)成熟用戶接受度高，且無需額外的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，更適合我國(guó)國(guó)情，采用來自電轉(zhuǎn)甲烷工藝的綠色天然氣，同樣可以實(shí)現(xiàn)重型公路交通領(lǐng)域的脫碳。
綠色SNG與綠色甲醇和綠氨同樣值得大力推廣。目前綠氫的儲(chǔ)運(yùn)難題嚴(yán)重制約了其規(guī)模化發(fā)展。避免儲(chǔ)運(yùn)的唯一辦法是就地在線電網(wǎng)制氫，然而我國(guó)煤電比例過高，電網(wǎng)制氫比煤制氫碳排放高60%-100%。根據(jù)彭博新能源BNEF的數(shù)據(jù)，目前不受地域限制（比如鹽穴、枯竭氣田等）且具備中等規(guī)模（至少幾周時(shí)間）的純氫儲(chǔ)氫方式僅有液氫，儲(chǔ)氫成本目前最高可達(dá)4.57美金/公斤，未來最低的估計(jì)為0.95美金/公斤（約人民幣6元/公斤）。根據(jù)亞聯(lián)高科的實(shí)地考察，浮云到佛山僅130公里的真實(shí)運(yùn)氫成本，在戰(zhàn)略協(xié)議最低價(jià)的基礎(chǔ)上尚且高達(dá)14元/公斤，這并不包含儲(chǔ)氫和各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化能耗。如此高昂的儲(chǔ)運(yùn)成本，會(huì)導(dǎo)致綠氫至規(guī)模用戶成本過高，從而抑制綠氫需求，反過來導(dǎo)致綠氫生產(chǎn)規(guī)模化和成本降低路徑受阻。至用戶成本高抑制需求，需求不足抑制生產(chǎn)，即綠氫面臨“蛋生雞雞生蛋”的問題。那么最終的解決方案只能是通過Power-to-X鏈條將氫轉(zhuǎn)化為不需要額外儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的綠色甲烷、甲醇或者氨，通過零碳的X代替綠氫滲透至對(duì)應(yīng)的需要脫碳的行業(yè)。
盡管天然氣聽起來跟民生更為接近，比起甲醇和氨有天然的劣勢(shì)，但事實(shí)并非如此。
綠色甲烷的優(yōu)勢(shì)
01 每kWh成本與氨和醇接近
對(duì)于最重要的三個(gè)X，甲烷、甲醇和氨（甲醇采用CO2加氫），其成本結(jié)構(gòu)中的合成步驟相差不大，比如合成氨設(shè)備成本高，但是氮分離比甲烷和甲醇需要的碳捕集成本低，結(jié)果是總體上三者合成成本接近。能效（不考慮余熱利用）相差也不大，氨會(huì)低一些。因此，總體上單位kWh可再生電力生產(chǎn)的單位kWh產(chǎn)品的成本基本一致的。三者在涉及能源領(lǐng)域的應(yīng)用，比如交通、供暖、儲(chǔ)能等，每噸價(jià)格沒有實(shí)際意義，kWh價(jià)格更有意義且三者接近
02 綠色甲烷的用途廣，應(yīng)用技術(shù)成熟
通過對(duì)比工業(yè)、交通和發(fā)電/儲(chǔ)能等潛在脫碳領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，如下表，可以發(fā)現(xiàn)：
氫是王者，幾乎主要排放的任何領(lǐng)域都可以用氫脫碳。甲烷和甲醇差不多，甲烷更成熟、應(yīng)用面略廣；僅有甲醇在化工原料上（MTO）的應(yīng)用以及氨在化肥上的應(yīng)用是甲烷不具備的；氨在能源上的應(yīng)用仍處于非常初期的階段。
03 綠色甲烷的市場(chǎng)容量足夠大
2021年全國(guó)交通用氣量509億立方米，假設(shè)全部由綠色SNG替代，則對(duì)應(yīng)綠氫消耗量為1834萬噸；全國(guó)的氨和甲醇產(chǎn)能用綠氫約2100萬噸，即交通用氣量對(duì)應(yīng)耗氫堪比全國(guó)合成氨和甲醇總產(chǎn)能用氫。
04 綠色甲烷在重型交通領(lǐng)域具備經(jīng)濟(jì)性
如下表對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，綠色甲烷在重卡領(lǐng)域應(yīng)用潛力很大。以Power-to-X的效率為50%、電價(jià)0.15元/kWh、電耗占生產(chǎn)成本的60%（合成步驟占40%），可粗略估算產(chǎn)品成本為0.15/50%/60%=0.5元/kWh，折合7000元/噸。LNG加氣站比較成熟，參與LNG重卡生產(chǎn)和研發(fā)的車企也較多，產(chǎn)品線成熟，消費(fèi)端客戶接受度高。
05 電-氫-甲烷-LNG重卡：
公路運(yùn)輸脫碳的低成本路徑
考慮電價(jià)0.15元/kWh，綠氫生產(chǎn)成本可以低至10元/公斤。但綠氫至規(guī)模用戶的成本仍高達(dá)0.84元/kWh，而變成SNG的至規(guī)模用戶成本僅為0.53元/kWh，無需補(bǔ)貼即可滿足車用LNG經(jīng)濟(jì)性。而綠氫用于車用綠色甲烷，則僅需滿足周邊有天然氣管網(wǎng)即可；甚至沒有管網(wǎng)，直接壓縮成LNG運(yùn)輸給加氣站的成本也非常低廉（500公里距離每公斤僅0.35元）。
以消耗500萬噸每年綠氫為例，10元/公斤生產(chǎn)成本為基礎(chǔ)。在缺乏純氫管網(wǎng)和鹽穴儲(chǔ)氫的情況下，根據(jù)德國(guó)某機(jī)構(gòu)的測(cè)算，以廣東省（1/2德國(guó)面積）為例，滿足50萬噸/年的大量用綠氫、2000座1000公斤加注能力的加氫站，成熟的液氫體系，才有可能做到平均儲(chǔ)運(yùn)成本18元/公斤。加上加注和生產(chǎn)各10元，加注口成本才能做到38元/公斤，加氫站依然需要3塊錢左右的補(bǔ)貼。以每輛FCEV 5噸/年耗氫，全國(guó)需要100萬量FCEV計(jì)算，需要投資建設(shè)13000座加氫站，按照10年計(jì)算，粗略估算投資+加氫站補(bǔ)貼（車無補(bǔ)貼）需要4240億（不含電解水）。
假如500萬噸綠氫變成綠色SNG，對(duì)應(yīng)140億立方米，投資建設(shè)H2+CO2甲烷化裝置，加補(bǔ)貼10年總投資只需要1172億（不含電解水）。無需補(bǔ)貼即可達(dá)到5元/方左右（7000元/噸），這個(gè)對(duì)于LNG重卡和CNG車是完全具備經(jīng)濟(jì)性的價(jià)格，不需要新增任何加氣設(shè)施和車輛購置。
06 綠色甲烷在季節(jié)性大容量?jī)?chǔ)能領(lǐng)域潛力巨大，
比抽水蓄能更具優(yōu)勢(shì)
氫是可再生能源向脫碳部門滲透的載體，承擔(dān)著儲(chǔ)能和分配的作用。然而儲(chǔ)氫相當(dāng)困難，用氫儲(chǔ)能就更困難了。如前所述，三種X折合每千瓦時(shí)的生產(chǎn)成本基本一致，也就是說其儲(chǔ)能的成本基本一致。天然氣發(fā)電非常成熟，卻沒有在儲(chǔ)能上得到重視。
另外，天然氣可以通過成熟的管網(wǎng)滲透到用戶終端，電轉(zhuǎn)甲烷相當(dāng)于用可再風(fēng)能和太陽能給天然氣管網(wǎng)充電！另外，甲烷地質(zhì)儲(chǔ)能也大有挖掘潛力。根據(jù)中國(guó)電建集團(tuán)、武漢巖土力學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)聯(lián)合發(fā)表的調(diào)研結(jié)果，相較于抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能，電轉(zhuǎn)氣地質(zhì)儲(chǔ)能的儲(chǔ)能容量更高，儲(chǔ)能時(shí)間可變范圍更廣，能量密度更高，且投資成本相當(dāng)；中國(guó)的天然氣儲(chǔ)氣庫建設(shè)處于初級(jí)階段，未來十年將是中國(guó)儲(chǔ)氣庫建設(shè)的高峰期，結(jié)合碳交易市場(chǎng)的迅速發(fā)展，電轉(zhuǎn)甲烷儲(chǔ)能技術(shù)在中國(guó)或?qū)⒂瓉磔^大發(fā)展機(jī)遇。國(guó)外學(xué)者評(píng)述電轉(zhuǎn)甲烷技術(shù)綜合了多項(xiàng)功能屬性，包括獲取零碳天然氣、調(diào)節(jié)電網(wǎng)平衡、提供長(zhǎng)期儲(chǔ)能和促進(jìn)能源脫碳，是一種值得重點(diǎn)開發(fā)的具備顛覆性潛力的新能源技術(shù)。
項(xiàng)目合作聯(lián)系人：
北京中研正達(dá)綠色科技有限公司
田經(jīng)理 13521082572（微信同）
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