光熱+氫能 追夢(mèng)“終極能源”

:超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電是當(dāng)代能源領(lǐng)域待突破的前沿技術(shù)，該技術(shù)一旦大規(guī)模應(yīng)用將改變世界能源的利用方式，特別是采用半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)，在使用化石能源如天然氣、煤制氣、煤層氣，或生物質(zhì)氣如填埋氣、沼氣等與氧氣混合發(fā)電過(guò)程中可全部回收二氧化碳，最終實(shí)現(xiàn)零碳排放發(fā)電。客觀說(shuō)，該技術(shù)對(duì)減少大氣二氧化碳排放和改變溫室效應(yīng)具有重大意義。如采用可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能制取氫氣，并同二氧化碳加氫甲烷化技術(shù)嫁接，不僅可以解決風(fēng)能、太陽(yáng)能不可控、不穩(wěn)定、不連續(xù)的問(wèn)題，而且可實(shí)現(xiàn)可再生能源循環(huán)發(fā)電，意義非凡。

本文淺要介紹了純氧燃燒超臨界二氧化碳熱發(fā)電和二氧化碳加氫甲烷化技術(shù)，最主要的是探討光熱發(fā)電與純氧燃燒超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的結(jié)合，也即與氫能的結(jié)合，或許這一結(jié)合可以使光熱發(fā)電大放異彩。

一、CO2 加氫甲烷化

CO2 加氫甲烷化反應(yīng)是由法國(guó)化學(xué)家保羅·薩巴蒂埃(Paul Sabatier ) 在 1902 年提出，之后他又提出利用太陽(yáng)能制氫和 CO2 催化加氫反應(yīng)生成甲烷 CH4 ，再作為能源消耗再次生成 CO2循環(huán)利用的設(shè)想。

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

他所提出的設(shè)想其實(shí)就是用可再生能源電力電解水制氫，再通過(guò)二氧化碳加氫甲烷化來(lái)實(shí)現(xiàn)可再生能源與氫能的高度融合。特別是作為燃料存儲(chǔ)甲烷氣，和光熱發(fā)電存儲(chǔ)熱能用于熱發(fā)電有異曲同工之妙。上世紀(jì)末日本專家擬踐行法國(guó)科學(xué)家保羅·薩巴蒂埃的甲烷循環(huán)發(fā)電技術(shù)，主張利用純氧混合燃燒甲烷技術(shù)驅(qū)動(dòng)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備發(fā)電，產(chǎn)生的二氧化碳加氫甲烷化再制取甲烷，如此循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)用可再生能源無(wú)碳排放發(fā)電。他們根據(jù)該設(shè)想曾提出建立“全球二氧化碳循環(huán)策略系統(tǒng)”，日本東北大學(xué)為此專門(mén)做過(guò)簡(jiǎn)單的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證該理論(圖 1 所示)。但是該設(shè)想歷經(jīng)百年，真正為此探索的工程性試驗(yàn)項(xiàng)目鮮有實(shí)施。其中遇到的最主要的問(wèn)題是二氧化碳如何獲得，這已然成為一個(gè)難解課題。目前從燃?xì)獍l(fā)電或燃煤發(fā)電排氣中進(jìn)行碳捕獲即 CCS 技術(shù)的成本依然很高，因此制約著二氧化碳甲烷化技術(shù)的推廣。我國(guó)在煤制氣直接二氧化碳加氫反應(yīng)制取甲烷、甲醇技術(shù)已經(jīng)工業(yè)化，所需氧氣通過(guò)空分機(jī)組獲得，因此推廣二氧化碳加氫甲烷化技術(shù)并不是一件難事。

圖 1、圖為日本東北大學(xué) 1996 年搭建的太陽(yáng)能電解制氫制甲烷純氧燃燒循環(huán)試驗(yàn)裝置。

二、半閉式超臨界二氧化碳純氧燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電

布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)不同，它可以分為開(kāi)式、閉式和半閉式三種運(yùn)行模式。開(kāi)式布雷頓循環(huán)如航空燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī);其次是閉式布雷頓循環(huán)，使用體外熱源驅(qū)動(dòng)布雷頓循環(huán)機(jī)組運(yùn)行，由于沒(méi)有了將水轉(zhuǎn)化蒸汽的熱能損失，因此熱循環(huán)效率遠(yuǎn)高于朗肯蒸汽循環(huán)。目前美國(guó)正在實(shí)施的 SunShot 計(jì)劃正在為第三代太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)使用該技術(shù)進(jìn)行前期開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)2020 年 10 兆瓦機(jī)組將投入運(yùn)行;在歐盟支持下，法國(guó)電力、德國(guó)西門(mén)子等企業(yè)也加大研發(fā)力度;我國(guó)包括中科院工程熱物理所和西安熱工研究院等已經(jīng)取得階段性研究成果;再次就是半閉式布雷頓循環(huán)，美國(guó)專利 US3134228 和 US37367452(如圖 2 所示)較早揭示半閉式超臨界二氧化碳純氧燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電技術(shù)，發(fā)明人為美國(guó)海軍部的科學(xué)家，其開(kāi)發(fā)的應(yīng)用場(chǎng)景均為潛艇，為盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，美國(guó)政府準(zhǔn)許美國(guó)企業(yè)免費(fèi)使用該技術(shù)。

半閉式超臨界二氧化碳純氧燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電技術(shù)在我國(guó)煤制氣和煤轉(zhuǎn)化汽油技術(shù)中有所提及，但熱能領(lǐng)域給予的關(guān)注度比較低。

圖 2、美國(guó)專利 US3736745 附圖

自從國(guó)際社會(huì)倡導(dǎo)減少燃煤或燃?xì)怆姀S二氧化碳和氮氧化物排放以來(lái)，零排放純氧燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)也即半閉式超臨界二氧化碳布雷頓燃?xì)鉄岚l(fā)電技術(shù)得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，例如奧地利格拉茨理工大學(xué)提出的“格拉茨循環(huán)”模式(圖 3)，美國(guó)清潔能源公司 CES 提出的 DSG 模 式(圖 4)，相同點(diǎn)都力求將半閉式超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)和蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電加以結(jié)合，擬實(shí)現(xiàn)高達(dá) 70%的熱循環(huán)效率，雖然這些技術(shù)都進(jìn)行過(guò)小規(guī)模驗(yàn)證，但商業(yè)開(kāi)發(fā)未獲進(jìn)展。近期美國(guó)八河流公司聲稱采用“阿拉姆循環(huán)”模式可實(shí)現(xiàn)零排放燃?xì)獍l(fā)電(圖 5)，目前一個(gè)規(guī)模為 25 兆瓦的中試項(xiàng)目已在美國(guó)德克薩斯州拉博德市建立。據(jù)說(shuō) 2020 年運(yùn)行，該電站收集的二氧化碳主要用于附近油田加注，以提高和延長(zhǎng)油井壽命。2018 年初美國(guó)麻省理工學(xué)院將該技術(shù)列為年度十大發(fā)明之一，認(rèn)為該技術(shù)有可能改變世界能源格局。特別值得關(guān)注的是該企業(yè)相關(guān)專利已在我國(guó)獲授權(quán)。

所謂半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)的主要特點(diǎn)在于動(dòng)力熱源引入空氣或純氧作助燃劑，與天然氣混合燃燒，同時(shí)選擇超臨界二氧化碳?xì)庾鰟?dòng)力介質(zhì)，因系統(tǒng)運(yùn)行溫度高，發(fā)電效率可提升至58%;最突出的特點(diǎn)是排出物不含氮氧化物，只有水和二氧化碳，而且經(jīng)汽水分離可全部回收并加以利用。如果采用聯(lián)合朗肯循環(huán)熱效率可達(dá) 70%以上。

圖 3、“格拉茨循環(huán)”純氧燃燒原理圖

圖 4、CES 循環(huán)純氧燃燒原理圖

圖 5、阿拉姆循環(huán)純氧燃燒示意圖

三、可再生能源與氫結(jié)合，追夢(mèng)“終極能源”

可再生能源與氫能結(jié)合的最佳途徑就是通過(guò)風(fēng)電或太陽(yáng)能發(fā)電電解水制取氫氣，但氫氣不宜存儲(chǔ)和運(yùn)輸，如果實(shí)時(shí)將其制成甲烷或甲醇，就可以采用常規(guī)技術(shù)儲(chǔ)運(yùn)，或通過(guò)燃?xì)獍l(fā)電直接通過(guò)電網(wǎng)傳輸電力。因此，結(jié)合半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)為二氧化碳加氫甲烷化提供可靠的碳源，將二氧化碳加氫甲烷化制備并存儲(chǔ)，電解水制氫產(chǎn)出的氧氣則與甲烷氣以及補(bǔ)熱加壓后的二氧化碳?xì)饣旌先紵?，?qū)動(dòng)半閉式布雷頓機(jī)組持續(xù)發(fā)電，最終實(shí)現(xiàn)可再生能源零碳排放循環(huán)發(fā)電。

光熱發(fā)電與半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合具有先天優(yōu)勢(shì)，光熱發(fā)電通過(guò)規(guī)模熱儲(chǔ)能可向電網(wǎng)提供穩(wěn)定電力，一旦將波動(dòng)性較大的風(fēng)電和光伏發(fā)電用于制氫，或通過(guò)電制熱規(guī)?；鎯?chǔ)，即可實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電人工可控、可管理、可干預(yù)的連續(xù)發(fā)電 。

根據(jù)光熱發(fā)電聚光模式與半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電結(jié)合有兩種選擇：

1、借助塔式懸浮粒子的高溫特性(溫度須在 700 度以上)，結(jié)合半閉式超臨界二氧化碳布雷頓純氧燃?xì)獍l(fā)電優(yōu)勢(shì)，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能電解制氫，借助二氧化碳加氫甲烷化儲(chǔ)能，即可開(kāi)辟光熱發(fā)電儲(chǔ)能新途徑。該設(shè)想擬在光照條件好時(shí)采用塔式懸浮粒子電站獲得的高溫?zé)崮茯?qū)動(dòng)閉式超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電，在光照條件不好或無(wú)光照是時(shí)則采用純氧燃?xì)獍腴]式超臨界二氧化碳發(fā)電進(jìn)行循環(huán)，分離出的二氧化碳與氫結(jié)合進(jìn)行甲烷化制備，分離出的水做鏡場(chǎng)定日鏡清洗用水。如圖 6 所示：

圖 6、塔式懸浮粒子電站與純氧燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電互補(bǔ)示意圖

塔式懸浮粒子光熱發(fā)電與半閉式超臨界二氧化碳燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電進(jìn)行互補(bǔ)，同時(shí)聯(lián)合風(fēng)電等電解水制氫， 輔之二氧化碳加氫甲烷化制備，甲烷純氧燃燒混合超臨界二氧化碳循環(huán)熱發(fā)電，或可開(kāi)辟光熱發(fā)電儲(chǔ)能新紀(jì)元。

2、槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是目前最為成熟的光熱發(fā)電技術(shù)，如將槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)有機(jī)嫁接在半閉式超臨界二氧化碳燃?xì)獠祭最D熱發(fā)電系統(tǒng)中(圖 7)，通過(guò)互補(bǔ)儲(chǔ)熱循環(huán)發(fā)電以規(guī)避太陽(yáng)能熱發(fā)電不穩(wěn)定不連續(xù)的先天缺陷，同時(shí)利用純氧燃?xì)獍l(fā)電產(chǎn)生的水進(jìn)行電解制氫制氧，汽水分離出的二氧化碳除用作動(dòng)力工質(zhì)外，其余部分進(jìn)行加氫甲烷化制備，并將制備的甲烷氣進(jìn)行存儲(chǔ)，而利用可再生能源電解水制氫獲得的氧氣用于系統(tǒng)自身的純氧燃?xì)獠祭最D高效發(fā)電;系統(tǒng)冷凝產(chǎn)生的水和加氫甲烷化產(chǎn)生的水存儲(chǔ)之后將直接提供給槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)作蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電使用，多余的水作清洗聚光鏡用水。據(jù)國(guó)外測(cè)算，不含甲烷制備產(chǎn)生的水，僅 550 兆瓦電站就可產(chǎn)生 1.8 億加侖水，由此可能導(dǎo)致光熱發(fā)電站站址選擇將不再受水源地限制。

顯然，接收風(fēng)電、光伏電力進(jìn)行電解水制氫是一種高效的儲(chǔ)能方式，特別是通過(guò)燃?xì)馀c光熱發(fā)電互補(bǔ)，可有效增加光熱發(fā)電時(shí)數(shù)，提高光熱轉(zhuǎn)換效率，增強(qiáng)光熱發(fā)電技術(shù)的環(huán)境適應(yīng)能力，降低單位發(fā)電成本，提升光熱發(fā)電站參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰能力。

圖 7、槽式太陽(yáng)能與風(fēng)能和燃?xì)饣パa(bǔ)制氫制甲烷循環(huán)熱發(fā)電示意圖

總之，當(dāng)人們把目光聚焦在氫能的開(kāi)發(fā)和利用時(shí)，氫能幾乎成了“終極能源”的代名詞，其實(shí)，氫能和電能一樣屬于二次能源，只有將可再生能源與氫能有機(jī)結(jié)合，才能最終展現(xiàn)其“終極能源”的魅力。