CN109943373B - 一种基于电制气技术的能源转换和存储方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电制气技术的能源转换和存储方法，属于清洁能源领域。本发明对电厂和天然气终端用户排放的二氧化碳气体进行捕获；利用被弃的、过剩的电能电解水产生氢气和氧气；二氧化碳与氢气反应生成天然气，提供给天然气终端用户；最后对电制气技术进行了

流分析和

经济分析。本发明可以实现电到气、气到电的可逆转换过程，解决清洁能源领域弃风弃光的部分问题，同时解决天然气气源严重短缺的问题，实现不同能源形式的转换和经济利用。同时，燃气代替目前传统的蓄水电站，在低谷时将电能转换为燃气存储，用电高峰期又可以直接以燃气轮机发电，以此对电网起到调峰作用，这对大电网的稳定、安全运行起到极大的作用。

Description

一种基于电制气技术的能源转换和存储方法

技术领域

本发明属于清洁能源技术领域，涉及能量形式转换与储能技术。具体地说，是指一种把电能转换为天然气进而便于储运和再利用的技术。该技术同时还具有电力***调峰、减少二氧化碳排放、副产氧气、氢气等多种能源产品的作用。

背景技术

目前我国的天然气用量逐年增加，而气源随着季节的不同呈现出剧烈的波动！如何获得相对稳定的气源供应是摆在我们面前的一个紧迫问题。与燃气气源相对不足形成鲜明对照的另一个能源——电力供应却是相对过剩。由于价格形成机制、上网政策、长短期效益问题，使得我国电力生产和销售近年来处于过饱和状态，特别是之前一直看好的风力、光伏发电更是令人大跌眼镜。如果能够把不同的能源形式打通它们之间互相转换的路径，就既能解决阶段性“源”的不足或过剩，又能起到调节价格的功能。这里储能是其中的关键！而燃气的储存技术相对来说已经颇为成熟，比如压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)的转化与存储技术。

电制气(P2G)技术属于能源存储转换技术，适用于大规模电能存储，对改善我国现在富煤、少油、缺气的现状有重要意义。

煤改气等带来大量天然气需求，尤其是在华北、华东区域。煤改气不仅仅针对工业类客户，其中大量客户来自小城市、村镇等地的“煤炭清零”等行动。以河北省为例，河北省纯居民煤改气就将带来20亿立方米天然气新增需求。再加上“2+26”城市工业客户煤改气的持续推进，2017年中国天然气需求增速超出预期。导致从2017年11月28日起进入全省天然气供应II级预警状态，这意味着全省供需缺口达10％至20％。这种天然气气源不足的情况不只是河北，山东、河南、陕西、宁夏、内蒙古等多地天然气供应也纷纷告急，限气停气愈演愈烈，已经严重影响到下游终端市场。液化天然气LNG价格最高时已达到一万二千元/吨。

与天然气气源严重短缺相反的是中国电力供应市场已进入相对过剩时代。当下严重的弃风弃光现象阻碍了可再生能源的发展。仅就2015、2016二年的情况就说明弃风弃光(放弃风力发电和光伏发电)形势严峻。如图1所示为全国弃风电量/弃风率统计(2011-2016H1(上半年)。2015年，全国弃风电量339亿千瓦时，同比增加213亿千瓦时。其中甘肃弃风电量82亿千瓦时、弃风率39％；新疆弃风电量70亿千瓦时、弃风率32％；吉林弃风电量27亿千瓦时、弃风率32％；内蒙古弃风电量91亿千瓦时、弃风率18％。2016年全国弃风电量为497亿千瓦时，较2015年上涨46.6％。其中，甘肃弃风电量104亿千瓦时，弃风率43.1％。与此同时，西部地区平均弃光率也达到20％。风能平均利用小时数较15年上半年下降85小时至917小时，平均弃风率则上升至21％，创历史新高。弃风限电向常态化、恶性化发展。

西北地区出现了弃光现象，其中甘肃弃光电量26亿千瓦时、弃光率31％，新疆弃光电量18亿千瓦时、弃光率26％。能否解决好弃风弃光问题，既是电改的重要内容，更是衡量电改成败的标志。据中国风能协会***秦海岩估算，弃风电量达到339亿千瓦时，造成的直接经济损失达169.5亿元。按照1千克标准煤发3度电计算，损失的这部分风电需要燃烧1135万吨标煤，为此不得不额外承受高达3400万吨的二氧化碳排放污染，同时带来二氧化硫、氮氧化物等污染物和粉尘的侵害。

面对弃风弃光现象严重的问题，储能就显得更为急迫。现有的储能***主要分为五类：机械储能、电气储能、电化学储能、热储能和化学储能。

机械储能:主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。抽水蓄能的不足之处是选址困难、极其依赖地势、投资周期较大、损耗较高；现阶段也受中国电价政策的制约，因此它不是储能的未来发展方向。压缩空气储能在压缩空气过程中一部分能量以热能的形式散失，在膨胀之前就必须要重新加热。通常以天然气作为加热空气的热源，这就导致蓄能效率降低，还需要大型储气装置、一定的地质条件和依赖燃烧化石燃料。飞轮储能能量密度不够高、自放电率高，如停止充电，能量在几到几十个小时内就会自行耗尽。只适合于一些细分市场，比如高品质不间断电源等。

电气储能:多采用超级电容储能或者超导储能，能量密度低，续航能力差，成本很高，可靠性和经济性的制约，商业化应用还比较远。

电化学储能:包括铅酸电池、锂电池和钠硫电池。铅酸电池使用次数有限，能量密度低，寿命短。锂电池存在过充导致发热、燃烧等安全性问题，需要进行充电保护。钠硫电池因为使用液态钠，运行于高温下，容易燃烧。而且还需要柴油发电机帮助维持高温，或者帮助满足电池降温的条件。电化学电池适用于中小型储能，在大型储能方面其性价比较低，容易造成环境污染。

热储能：适用于大型储能，但是现在各种高温化学热工质发展缓慢，需要占用大面积土地，在温差较大的西北地区容易发生化学热工质的凝结现象，使用场合比较受限。

化学类储能：利用氢或合成天然气作为二次能源的载体，利用多余的电制氢，可以直接用氢作为能量的载体，也可以将其与二氧化碳反应成为合成天然气(甲烷)，除了可用于发电外，还有其他利用方式如氢能汽车、甲烷汽车等。

作为终端用户广泛使用的清洁能源——天然气，因为国际市场原因、储运原因，特别是需求量激增的原因，而呈现严重短缺的窘境。因为我国是油气资源相对不足的国家，燃气大量依赖进口，因此解决天然气气源不足问题，对于我国的能源安全也具有重要意义！

发明内容

为了解决现有技术条件下既存在着弃风弃光，同时又面临天然气严重短缺的问题，本发明提供一种基于电制气技术的能源转换和存储方法，不仅实现利用燃气发电(燃气轮机)，而且还要实现逆向的电制(燃)气。所述方法的具体步骤如下：

第一步，对电厂和天然气终端用户排放的二氧化碳气体进行捕获；

第二步，利用被弃的风光发电发出的或电厂产生的电能作为电解水的能源，电解水产生氢气和氧气；

第三步，将第一步捕获的二氧化碳气体与第二步产生的氢气进行高温高压下反应，生成甲烷，即天然气；

第四步，对第三步得到的天然气提供给天然气终端用户，进行储存或使用。

所述的电解水可以是电解碱性溶液、质子交换膜电解水或高温固体氧化物电解水蒸气三种方式中的任意一种实现。

所述的电厂主要指光电和风电发电厂。

本发明的优点在于：

(1)本发明可以实现电到(燃)气、气到电的可逆转换过程。解决弃风弃光的部分能源浪费问题，同时解决天然气气源严重短缺的问题。

(2)本发明的能源转换过程中产生的氢气和氧气还可以作为新型能源进入市场，产生经济收益。

(3)本发明提供的方法，在制备燃气的过程中固化二氧化碳，减少温室气体的排放。

(4)最重要的是燃气作为一种可以大规模安全存储的能源形式，可以对电网起到调峰作用，对大电网的稳定、安全运行起到极大的作用。

(5)本发明提供的储能方式比蓄水电站具有占地面积小，使用方便，运输方便等一系列优点。实践证明：燃气(甲烷)可以方便地转化为压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG)，而压缩天然气(CNG)特别是液化天然气(LNG)占用体积很小，并且在目前的技术条件和装备下即可实现安全可靠的储备和运输。相比于蓄水的静态储能方式，天然气储存可实现能量的动态转化，储能效益得到提升。

(6)本发明提供的储能方式比储氢安全可靠。目前大规模的储氢技术并没有实现，而大规模的压缩天然气(CNG)特别是液化天然气(LNG)储备和运输已经完全实现了工业化。本发明提供的电制气P2G用于储能相比储氢所需要体积大大缩小，按照甲烷化反应生成的甲烷，体积仅为氢气和二氧化碳体积之和的五分之一，单位体积的能量密度增加。天然气作为大宗能源消费产品，有成熟的管网和储气配套，且相比氢气***安全极限范围小，储运安全性高。

附图说明

图1是全国弃风电量/弃风率统计柱状图。

图2是本发明提供的电制气(P2G)技术方法流程图。

图3是电解碱性溶液原理图。

图4是质子交换膜电解水(PEM)原理图。

图5是高温固体氧化物电解水蒸气(SOEC)原理图。

图6是甲烷化过程示意图。

图7是甲烷制备流程原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于电制气技术的能源转换和存储方法，如图2所示，将燃气、电能、热能结合在一起。电能通过电制气技术(PtG/P2G)转变为燃气，进入燃气管线。燃气通过燃气发电技术(GtP)转变为电力，其中的副产品二氧化碳可以作为电制气技术的原料。燃气发电产生电能同时也可以通过燃气锅炉产生热能进入热力管线，为城市供暖提供保证。以燃气为主的多能互补能源互联网体系，有利于我国新时期能源结构调整。

1.电制气(PtG)的技术说明

如图3～6所示，电制气技术(PtG)包括电解水技术、CO₂捕获技术以及甲烷化技术。本发明通过对PtG技术过程，通过建立机理模型，进行理论分析，作为

流分析和经济分析的理论基础。对每个过程给出了具体的物理、化学分析，得到能量转化公式。所述的电解水技术包括电解碱性溶液、质子交换膜电解水和高温固体氧化物电解高温水蒸气可选。

1.1.1电解碱性溶液(alkaline electrolysis cells简称AEC)，如图3所示，电解过程中发生如下的阴极反应和阳极反应：

阴极反应：4H₂O+4e＝2H₂+4OH^- (1)

阳极反应：4OH^-＝O₂+2H₂O+4e (2)

热化学方程式：

表示反应放热。碱性电解起步最早，发展时间最长，并在各种电解水工程中得到大量应用。碱性电解采用碱性溶液(氢氧化钾或者氢氧化钠)作为电解液，材料价格低廉。溶液为质量百分比浓度20-40％KOH溶液，电极是以镍、钴和铁为催化剂研制的多孔钢，它们被高度绝缘的隔膜隔开，高效电解槽实现堆栈效率高达67％，将电解碱性溶液应用到PtG技术最大的问题是负载受到溶液浓度、气体电导率的限制。在动力学方面，因为***的惯性，碱性水电解槽比PEM电解槽慢。据估计大规模投资成本，电解槽的能量范围为500-600kW/h。

碱性电解分为大气压电解和高压电解两种，高压电解虽然使得电解能量降低，节省电能，但是会使电解氢气纯度降低。碱性电解工作温度为60-80℃，工作电流为0.2-0.4A/cm²，氢气产生量为<760Nm³/h。碱性电解作为最早的电解水技术虽然发展较早但是电解液腐蚀程度较大，并且利用程度低，维修费用昂贵。

1.1.2质子交换膜电解水(Proton exchange membrane简称PEM)，如图4所示，所述的质子交换膜电解水的反应方程为：

阴极反应：2H⁺+2e＝H₂ (4)

阳极反应：

热化学方程式：

质子交换膜电解水方法比起传统的碱性电解法有着更高的转换速率。由于采用允许质子通过质子交换膜，质子交换膜结构很薄，具有很好的韧性和稳定性，由于等效电阻值较小所以在通过质子交换膜时电损失也比较小。在许多发达国家，质子交换膜电解水的效率已经达到90％以上，具有良好的电解效率。PEM电解水相比较传统的电解水的方法优势在于它可以允许质子透过，而传统的电解法只允许离子透过。质子交换膜电解法使用有机材料减小了电解槽的体积。质子交换膜电解水方法使用具有催化剂的多空电极，增加了质子交换膜的传输能力，增快了反应速度。使用多空结构使得产生的气体可以快速的从电解槽的排除。质子交换膜电解的反应温度为80度左右，允许通过的电流密度为为0.5-2A/cm²。相比于碱性电解问题，由于质子交换膜使用有机材料作为膜材料，使用贵金属作为其催化剂，价格昂贵，成本问题成为制约其推广的主要问题。

1.1.3高温固体氧化物电解水蒸气(solid oxide eleltrolysis cells简称SOEC)，如图5所示反应过程，具体方程如下：

阴极反应：H₂O+4e＝H₂+O ² _- (7)

阳极反应：O^2-＝O₂+4e (8)

热化学方程式：

高温固体氧化物电解技术与质子交换膜电解水电解技术相比，需要温度在780°到920°。SOEC与传统的电解技术相比较，使用电解高温水蒸气的方法，减少了电能的消耗，电解效率较高，但是由于温度较高，催化剂材料和电极材料必须耐高温，成本较高。经过多年的发展，高温固体氧化物电解水蒸气技术由最先使用的管状结构变为槽式结构。管状结构能源利用率低成本较高不适合推广使用。槽式结构的示意图如图5所示。水经过电解后变成高温水蒸气进入电解池。如方程(7)中所示在阴极水蒸气变电解为H⁺离子和O^2-离子，H⁺离子变为氢气，方程(8)所示O^2-离子在阳极变成氧气。电解质在槽式结构中起到膜的作用，允许离子通过却阻止了H₂和O₂通过。所以电解质需要的密度比较高并且对离子的通过率比较高。

表1不同类型的电解水***总制氢效率比较

1.2二氧化碳捕获与封存

电解水技术仅为甲烷化过程提供了一种原材料氢气，如上述的方程(1)、(4)、(7)，而另外一种原材料CO₂需要进行捕获和封存(Carbon Capture and Storage，简称CCS)。二氧化碳在运输和封存时需要以较高的纯度存在，而在大多数情况工业尾气或者沼气中二氧化碳的浓度达不到这个要求，所以必须从尾气中将二氧化碳分离出来，这一过程称为二氧化碳的捕获。CO₂主要来源于火电厂等工业、生物质(沼气)以及大气中。

工业过程中的碳捕获技术已经相当成熟，捕获方式多种多样主要分为吸附和分离这两种方式。在工业工程碳捕获的过程中，火电厂与化工厂是CO₂捕获的主要工厂。碳捕获在工业中价格相对便宜约为150～510元/吨，能源消耗大约90～230KWh/t(千瓦时每吨)，本发明将碳捕获工业与电制气技术相结合，为电制气技术提供碳源。我国煤炭资源丰富，火电厂众多，为电制气技术提供了大量的碳源。无论是煤炭的开采还是煤炭发电都会有大量的CO₂产生，如何提高碳捕获的效率和成本成为最为关键的问题。二氧化碳的捕获的工作也有利于减少温室气体的排放量，保护环境。基于我国的富煤、少油、缺气的现状，将煤炭的副产物二氧化碳转换为合成天然气是能源互联网中的关键环节。考虑到二氧化碳的运输成本所以在电制气建设工厂的时候应该靠近碳源，减少二氧化碳运输成本。

要实现对烟气中的二氧化碳捕获的目的，需要对二氧化碳排放源进行技术改造，安装二氧化碳捕获***。通常来说，工业工程二氧化碳捕获以碳源位置不同将其分为燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧捕获。

燃烧后捕获是指，在燃烧设备的烟气中捕获二氧化碳。但由于电厂尾气中二氧化碳浓度通常介于3％～13％(一般不特别提及的时候气体浓度都是指体积百分比浓度)，而适合低浓度二氧化碳分离的化学吸附工艺需要消耗较多的中低温饱和蒸汽以用于吸附剂再生，导致***效率损失。

燃烧前捕获是指利用煤气化或天然气重整可以将化石燃料转化为主要成分为一氧化碳和氢气的合成气，进一步通过水煤气变换反应可以将合成气体中的一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，最后将二氧化碳分离出来。这一捕获方法称为燃烧前捕获或燃料气捕获。

富氧燃烧是针对常规空气燃烧会稀释的缺陷所提出的纯氧燃烧的氧气、二氧化碳循环概念。氧气/二氧化碳循环采用纯氧作为氧化剂，燃烧产物主要为二氧化碳和水，通过透平膨胀和余热锅炉放热后剩余的二氧化碳的浓度约为80％(体积百分比)，易于分离。

各种捕获方法有其不同的适用场合：燃烧后捕获可以用于煤粉电厂烟气、水泥厂烟气、钢铁厂烟气等的捕获；燃烧前捕获可以用于涉及煤炭气化的整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂、基于煤基合成气的煤化工厂等的捕获；富氧燃烧技术可以用于现有化石燃料燃烧装置的技术改造，由空气助燃改造为氧气助燃，从而实现二氧化碳捕获。

采用沼气生物发酵的方式，其原材料为废弃物几乎没有费用，没有额外的能源成本。一般分为发酵、气化和燃烧，燃烧和气化技术上是相似的，适用于火电及二氧化碳排放较少的地区。

在大气中的碳捕获一般通过强碱氢氧化钾或者氢氧化钠，但是需要的费用和能源消耗非常高。这种碳捕获的优点是对二氧化碳源没有限制，减少了运输成本。

1.3甲烷化流程

二氧化碳具较高的化学惰性，其活化和转化困难，但输入能量并在催化剂作用下，二氧化碳分子可以活化，与化学性能活泼的还原剂氢气发生甲烷化反应。二氧化碳甲烷化的主要化学反应包括：

CO₂(g)+4H₂(g)＝CH₄(g)+2H₂O(g)ΔH_Methanation1＝-165KJ/mol (10)

CO(g)+3H₂(g)＝CH₄(g)+H₂O(g)ΔH_Methanation2＝-206.3KJmol (11)

CO₂(g)+H₂(g)＝CO(g)+H₂O(g)ΔH_Methanation3＝41.2KJ/mol (12)

CO(g)＝C(s)+CO₂(g)ΔH_Methanation4＝41.2KJ/mol (13)

上述化学反应中△H表示反应放热或吸热热量。反应(10)即二氧化碳向甲烷转化的主要反应方程式，转化反应在

左右便会平稳进行，整个过程中有约17％的化学能会以热量形式释放，在绝热条件下，每完成1％(质量百分比)的二氧化碳转化，气体温度上升约60℃。反应(11)和反应(12)是逆变换反应，反应(13)即二氧化碳积碳反应，此类皆为转换反应中的副反应。研究表明，反应(10)是否稳定进行与温度的范围有很大的关联，当温度范围在430℃以上时反应便会进行，此时氢气依赖其还原性把二氧化碳还原成一氧化碳，而且不会改变最终甲烷的生成总量；而反应(12)与气体原料中氢碳的混合比例有很大关系，在H₂与CO₂的摩尔比例小于3的环境中积碳反应会很容易完成，而在H₂与CO₂的摩尔比例约为4的环境中，碳由于与反应中产生水发生反应的缘故，使碳的含量降低，最终导致积炭反应减少。凭借热力学平衡原理以及已有的固定床甲烷化经验，高压、低温、配合适当氢碳比将提高主反应(10)的反应效率，从而达到更高的甲烷产值。

依照现有的研究结果，反应在环境温度不高于300℃时，二氧化碳转化反应与环境压力关系较小，在很大程度上完成了全部转化；当环境温度高于500℃时，二氧化碳的实际转化效率受到限制，以及甲烷化反应都会大规模下降，最终使产品气中甲烷产生量减少。所以，加大反应环境的压力同时适当提高氢气与二氧化碳的摩尔混合比例，可以提高二氧化碳的整体转化率，从而提高甲烷产量。

如图6所示，把反应气体按比例分成四份分批充入三级甲烷化反应室，同时为了对反应室进行温度控制以及应对超温应急反应。在反应室中加入适量水蒸气，以确保反应安全进行。在分段反应区的各反应室入口处需进行温度控制使其保持在在200～300℃的范围内，同时经过甲烷化反应，要控制各级甲烷化反应室出口温度保持在550℃。随着反应的进行，分段反应区内各反应室中的氢碳比例不断下降，同时由于上一级反应室出口产生的产品气体进入，也起到了一定的稀释作用，虽然如此反应室内氢气的含量仍处于过量状态。

甲烷化反应各分段反应都为放热反应，每有1％二氧化碳转化为CH₄，反应室内的温度升高6℃。所以二氧化碳的甲烷化工艺核心为对控制温度的升高。采用梯度设计理念使得释放的能量得到有效的利用。控制反应室内的温度避免催化剂的毁坏，所以研究具有耐高温的催化剂材料是甲烷化的关键技术。通过温度控制和催化剂的选择使得反应速率加快和转化速率，避免了副产物的生成。如图6所示，所述的温度控制可以通过废热锅炉、冷凝器实现，并在反应阶段开始增加了脱硫罐进行脱硫。

2.电制气技术(PtG)的经济分析

在对电制气(PtG)技术分析的基础上，建立电制气的机理模型，之后再对机理建模进行

流分析，通过对机理模型中的物理变换和化学变换，对

效率进行计算。然后对电制气中的

经济进行分析，结合净现值法，对投入资金和产出金额进行计算，得出***的经济性。能源问题的效率分析属于热力学分析的评价指标问题。在热力学评价指标中有能源利用率、

流分析等。能源利用率根据的是热力学第一定律即能量守恒定律，其反映了在一个***中能量转换效率，但是不能反应能量的品质(不同类型的能量例如热能、电能、化学能相互转换时具有不同的转换速率)。而

流分析是根据热力学第二定律进行分析，反映了能源的品质问题。在能源利用率分析中加入

流分析，既能反应能量转换速率也能反应能量的品质。

2.1

的概念

当***由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，称为

又叫有效能。

英文名称为exergy，用于确定某指定状态下所给定能量中有可能做出有用功的部分。各种形态的能量，转换为"高级能量"的能力并不相同。如果以这种转换能力为尺度，就能评价出各种形态能量的优劣。

但是转换能力的大小与环境条件有关，还与转换过程的不可逆程度有关。实际上采用在给定的环境条件下，理论上最大可能的转换能力作为量度能量品质高低的尺度，这种尺度称之为

(Exergy)。它的定义如下：当***由一任意状态可逆地变化到与给定环境相平衡的状态时，理论上可以无限转换为任何其他能量形式的那部分能量，称之为

因为只有可逆过程才有可能进行最完全的转换，所以可以认为

是在给定的环境条件下，在可逆过程中，理论上所能做出的最大有用功或消耗的最小有用功。

与此相对应，一切不能转换为

的能量，称之为(灹)(Anergy)。任何能量E均由

(Ex)和(灹)(An)两部分所组成。通常的热量平衡和能量转换效率并不能反映出

的利用程度，因而本发明引入了

效率的概念。

针对某个热力***建立

平衡关系式，并对其进行

分析，从而达到以下目的：定量计算能量

的各项收支、利用及损失情况。收支保持平衡是基础，能流的去向中包括收益项和各种损失项，根据各项的分配比例可以分清其主次。通过计算效率，确定能量转换的效果和有效利用的程度。分析能量利用的合理性，分析各种损失大小和影响因素，提出改进的可能性及改进途径，并预测改进后的节能效果。

效率反映了热力***的热完善性，是一种比能效分析更为合理的评价指标。

2.2

经济流分析

经济流分析起源于20世纪50年代末期，创始人为美国Tribus，其将

经济学命名为thermoeconomics。

经济流分析是

分析与经济分析相结合，分析的结果可给出在***各部位上

分析及经济信息流的分布，从而发现那一部分存在着最大的改进潜力。

2.3电制气(PtG)技术

流分析

PtG是将弃风弃光后剩余电量通过化学反应生成天然气的技术，可以在根本上解决弃风弃光问题。在分析能源利用和经济成本问题时，可以将

流值作为***能源利用效率和经济分析的指标。PtG技术包括电解水和甲烷化，下面分别讨论这两部分的

流分析。

PtG技术

流分析可以得出***最大有用功，计算输入***的能量和输出***的能量，通过二者的比值计算出***的效率，要计算整个***能源的输入输出，根据热力学、化学和电力知识，需要得出质量、温度、压强、电压、电流的数值，但是管道内流体和气体的质量不容易测量，将质量转变为体积流量，通过流量计获取数值。在***内每个环节布置相应传感器，既可以对每个环节进行局部的

流分析也可以对整个***进行整体的

流分析。

如图7各处的PtG技术机理模型，在相应位置设置传感器可以检测相应气体的压强和温度数据。整个***

流值分析包括物理过程分析和化学过程分析。

气体物理过程：

因为密度计算条件是在常温常压下，通过此公式将管道内一定温度T_n、压强p_n的气体体积V_n转变为常温T₀、常压p₀下气体体积V₀，q_n为管道内的体积流量(如图7中所示压强和温度下标n＝1～5为所在反应物或者生成物，例如p₁为电解水(电解质)中水的压强、T₁为电解水中水的温度)。

L_n为管道长度，Δp_n为管道两端的压力p_n和p_n′的差，即压力差，ρ_n为液体或气体的密度，g为重力加速度，S_n为管道的摩阻，m_n表示反应物或生成物的质量，t为时间。

物理变化过程：

化学反应过程：

P_output＝P_n1+P_n2 (20)

P_n为化学反应放热功率，下脚标1和2分别代表物理和化学反应过程；ΔH_n为不同阶段的焓值(

为电解水的焓值，ΔH_{Methanation 1}为甲烷化主反应焓值，

为甲烷充分燃烧的焓值)，M_n为不同阶段的反应产物的摩尔质量，ΔT为反应前后温度变化量，c_n为反应产物的比热容。

电力输入：

P_input＝U_nI_n (22)

通过温度传感器、压强传感器、电压传感器和电流传感器对获取如图7***中子***中的温度T_n、压强P_n，电压U_n，电流I_n，得到功率热反应功率P_n和电力输入功率P_input，通过计算功率比来计算实际

流值。

在方程(23)中η_PtH为电制气第一阶段电解水的效率。在方程(24)中η_HtG为电制气第二阶段甲烷化的效率。在方程中(25)中η_PtG为电制气总效率。α分别为输出功率P_output能级系数。

为燃气的发电效率，

为氢气的发电效率。

2.4PtG技术

经济分析

本发明使用净现值法做经济性分析。净现值法是指将***在所有的设备周期内的预算金额转换为总净现值。总净现值为***内投入资金和产出金额的总和。使用净现值对***投入与产出金额进行分析已经被广泛应用。依据***内产出金额总量和投入金额总和计算***的净现值。依靠净现值比较此不同计算方法的优劣性。净现值大于零时，说明此***为盈利状态。净现值小于零时表示此***为亏损状态。净现值越大说明***的利润越多。净现值法作为现在经济性计算的方法已经被广泛应用。

净现值法计算方法，计算时间以年为单位，统计一年内的资本投入，在年末这些投入转变为收益，计算收益额，根据资本投入与收益额计算***内的利润。根据能源互联网机理模型与净现值法相结合。将能源互联网中的经济投入分为固定投入(一次性投入)和非固定投入(按年投入)。根据净现值法将能源互联网经济性分为设备购买费用、厂房建设费用、原料购买资金，设备折旧费、设备维修费用、人工费用。

传统的用净现值计算使用产出与投入的差值计算***利润额，本发明将净现值与

分析相结合得出

经济性分析。计算能源互联网***内的产出与投入的比值，将比值作为评价其经济性的标准。为了与

效率做最优化分析采用比值的形式将与

效率使用统一的数目级，减少了使用常数变化改变经济性与

效率权数不同的问题。比值越大说明此***的经济性越好。改善后的净现值法更容易使经济性与其他性能做最优化处理。

电制气经济投入分为一次性投入Ψ_{PtG first}和按照月份投入Ψ_{PtG year}，一次性投入包括设备的购买资金Ψ_{PtG 1}，建设企业厂房的费用资金Ψ_{PtG 2}，按照月份投入包括原料购买资金Ψ_PtG3,设备折旧费Ψ_{PtG 4}，设备维修费Ψ_PtG5，人工费用Ψ_{PtG 6}。

(1)设备i年总投入Ψ_{PtG first}

P_{PtG energy}为新能源发电设备的输出功率，P_PtGequipment为单台设备的额定功率，N为设备寿命年限，κ为设备维修费系数，在大量调研后使用寿命N为10年，κ为5％。

(2)总原材料投入(CO₂、H₂O)Ψ_{PtG year}

Q_PtG为年发电量，

为CO₂摩尔质量，

为水的摩尔质量，

为H₂O单价，

为CO₂单价，η_PtH为电制气第一阶段电解水的效率，η_HtG为电制气第二阶段甲烷化的效率，△H为放热或吸热量。

(3)i年后总成本Ψ_{PtG input}

人工费用成本Ψ_{PtG 6}，建设企业厂房的费用资金Ψ_{PtG 2}，由于人工费用和建设企业厂房的费用资金受设备选型影响较小，这里我们将其设为一个定值。

(4)i年后总产值Ψ_{PtG income}

总产值为甲烷与氢气的混合气体，其中氢气占总混合体积χ(对于我国对管网内氢气加入体积分数的限制)，0<χ≤10％，以及副产品氧气出售所得。

(5)i年后总利润Ψ_{PtG profit}：

Ψ_{PtG profit}＝Ψ_{PtG income}-Ψ_{PtG input} (30)

近几年中国面临着一方面弃风弃光现象严重，另一方面天然气供给短缺的窘境。而天然气依靠进口将给我国的能源战略安全带来极大的隐患。对此，本发明提供了一种以天然气为主线的解决方案，即使用电制气技术和燃气发电技术使得电能与天然气能源实现不同能源形式的可逆转换，以此实现不同终端用户用能的互补性和经济性。

我国作为最大碳排放国，有责任控制温室气体排放，P2G既可以转换不稳定的风电、光电为稳定且方便储运的燃气，又可以实现二氧化碳的循环利用以减少污染，在减排方面具有重要意义。虽然P2G的效率偏低，但是与其他储能技术相比，具有固碳减排减少污染，且能够大规模储能，可以小型化、模块化发展，减少占地等一系列优点。

P2G可以大规模安全储能的特点，解决了能源互联网中最为关键的大规模储能问题，保障了电力***的调峰、能量储存与运输，为能源互联提供了保证。同时实现了电力向燃气的转换；燃气轮机、内燃机等又可以实现了燃气到电力的转换；在整个过程中能源可以可逆转换，防止单一能源短缺造成的问题。其次，P2G技术还有氧气、氢气等副产品输出，综合起来看其经济效益很高。

Claims (4)

1.一种用于基于电制气技术的能源转换和存储方法的

分析方法，

第一步，对电厂和天然气终端用户排放的二氧化碳气体进行捕获；

第二步，利用被弃的风光发电发出的或电厂产生的电能作为电解水工艺的能源，电解水产生氢气和氧气；

第三步，将第一步捕获的二氧化碳气体与第二步产生的氢气进行高温高压下反应，生成甲烷，即天然气；

第四步，对第三步得到的天然气提供给天然气终端用户，进行储存或使用；

其特征在于：

电制气技术PtG的

分析包括电解水和甲烷化两部分的

流分析；

流分析包括物理过程分析和化学过程分析；

气体物理过程：

管道内温度T_n、压强p_n的气体体积V_n转变为常温T₀、常压p₀下气体体积V₀，q_n为管道内的体积流量；

L_n为管道长度，Δp_n为管道两端的压力p_n和p′_n的差，即压力差，ρ_n为液体或气体的密度，g为重力加速度，S_n为管道的摩阻，m_n表示反应物或生成物的质量，t为时间；

物理变化过程：

化学反应过程：

P_output＝P_n1+P_n2 (20)

CH₄(g)+2O₂(g)＝CO₂(g)+2H₂O(l)

P_n为化学反应放热功率，下脚标1和2分别代表物理和化学反应过程；ΔΗ_n为不同阶段的焓值，M_n为不同阶段的反应产物的摩尔质量，ΔT为反应前后温度变化量，c_n为反应产物的比热容；

电力输入：

P_input＝U_nI_n (22)

通过温度传感器、压强传感器、电压传感器和电流传感器获取温度T_n、压强P_n，电压U_n，电流I_n，得到功率热反应功率P_n和电力输入功率P_input，通过计算功率比来计算实际

流值：

η_PtH为电制气第一阶段电解水的效率；η_HtG为电制气第二阶段甲烷化的效率；η_PtG为电制气总效率；α分别为输出功率P_output能级系数；

为燃气的发电效率，

为氢气的发电效率；

使用净现值法做

经济性分析：

电制气经济投入分为一次性投入和按照月份投入，一次性投入包括设备的购买资金Ψ_{PtG 1}，建设企业厂房的费用资金Ψ_{PtG 2}，按照月份投入包括原料购买资金Ψ_{PtG 3},设备折旧费Ψ_{PtG 4}，设备维修费Ψ_{PtG 5}，人工费用Ψ_{PtG 6}；

(1)设备i年总投入Ψ_{PtG first}

P_{PtG energy}为新能源发电设备的输出功率，P_{PtG equipment}为单台设备的额定功率，N为设备寿命年限，κ为设备维修费系数；

(2)总原材料投入Ψ_{PtG year}

Q_PtG为年发电量，

为CO₂摩尔质量，

为水的摩尔质量，

为H₂O单价，

为CO₂单价，η_PtH为电制气第一阶段电解水的效率，η_HtG为电制气第二阶段甲烷化的效率，ΔH为放热或吸热量；

(3)i年后总成本Ψ_{PtG input}

人工费用成本Ψ_{PtG 6}，建设企业厂房的费用资金Ψ_{PtG 2}；

(4)i年后总产值Ψ_{PtG income}

总产值为甲烷与氢气的混合气体，其中氢气占混合气体的体积χ，0＜χ≤10％；

(5)i年后总利润Ψ_{PtG profit}：

Ψ_{PtG profit}＝Ψ_{PtG income}-Ψ_{PtG input} (30)。

2.根据权利要求1所述的一种用于基于电制气技术的能源转换和存储方法的

分析方法，其特征在于：所述的电解水包括电解碱性溶液、质子交换膜电解水和高温固体氧化物电解高温水蒸气。

3.根据权利要求1所述的一种用于基于电制气技术的能源转换和存储方法的

分析方法，其特征在于：所述的二氧化碳捕获以碳源位置不同将其分为燃烧后捕获、燃烧前捕获和富氧捕获；燃烧后捕获用于煤粉电厂烟气、水泥厂烟气、钢铁厂烟气的捕获；燃烧前捕获用于涉及煤炭气化的整体煤气化联合循环发电厂、基于煤基合成气的煤化工厂的捕获；富氧捕获用于化石燃料燃烧装置的技术改造，由空气助燃改造为氧气助燃，从而实现二氧化碳捕获。

4.根据权利要求1所述的一种用于基于电制气技术的能源转换和存储方法的

分析方法，其特征在于：

二氧化碳甲烷化在

进行，化学反应包括：

CO₂(g)+4H₂(g)＝CH₄(g)+2H₂O(g)ΔH_{Methanation 1}＝-165KJ/mol (10)

把反应气体按比例分成四份分批充入三级甲烷化反应室，在反应室中加入水蒸气，以确保反应安全进行；在各反应室入口处进行温度控制使其保持在200～300℃的范围内，反应室出口温度保持在550℃。

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