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受到脫碳政策、可再生能源消納壓力、以及產品“綠色屬性”帶來的預期綠色溢價驅動影響，綠色甲醇燃料產業化發展迅速，而其所涉及的相關政策、技術進步與成熟度、建設條件與要素、碳核算認證等尚處于工業化前期關鍵階段。基于可再生能源生產綠色甲醇燃料是復雜能源化工過程，迫切需要構建基于可再生能源制綠色甲醇燃料的綜合能源系統，實現技術先進、系統效率高、經濟性好以及碳排放值滿足限定要求等，以拓展能源化工復雜系統集成的研究理論和實踐創新，同時為基于可再生能源生產綠色燃料的項目建設和產業化發展提供理論和數據支持。
針對上述問題，中國科學院上海高等研究院（以下簡稱“上海高研院”）能源過程強化工程科學團隊開展了基于生物質氣化和可再生能源制氫的生物質制綠色甲醇燃料的系統集成和綜合評估研究，相關研究成果以“Potential solution to wheat straw-to-methanol for marine fuel under carbon emission restrictions: A comparative energy, exergy, economic, and environmental analysis”為題，發表于能源領域期刊Applied Energy。
圖1 全流程建模示意圖
基于中國沿海地區的可再生能源制綠色甲醇燃料裝置場景，考慮到工業化進程的技術發展和建設條件變化、以及產品碳排放限制等多要素，并結合綠色甲醇燃料生產過程的副產燃料氣和粗合成氣的能量品位的不同，構建貼近工業化場景的多技術路線，并進行了全流程精細化建模、能量分析、?分析、經濟性分析和碳排放核算等綜合研究：路線1，生物質氣化制綠色甲醇，利用高壓馳放氣通過燃氣輪機發電，不足部分采用外購電；路線2，生物質氣化制綠色甲醇，利用高壓馳放氣通過燃氣輪機發電，利用溶解氣、不凝氣和部分粗合成氣通過蒸汽輪機發電，實現電力與蒸汽平衡；路線3，基于路線1耦合可再生能源制氫，取消合成氣調節單元的變換裝置，利用副產燃料氣實現電力與蒸汽平衡，制氫和儲氫采用可再生能源電力。結果表明：均基于2臺生物質氣化爐，路線1、2、3的甲醇生產規模分別為10萬噸/年、8.82萬噸/年、15.88萬噸/年；氣化單元、合成氣調節單元、電力與蒸汽生產單元的?效率較低，存在較大的優化提升空間；基于秸稈450元/噸、甲醇價格5000元/噸計算，路線1、2、3的財務內部收益率(FIRR) 分別為21.31%、18.23%和7.16%；可再生能源電力結構變化對路線3的碳排放影響較大，對于配置制氫單元的可再生能源電力時，須要結合碳排放計算來確定其電力結構的可行性區間。路線2能夠有效避免外部可再生能源電力的不可控影響，裝置自適應性強，且碳排放和經濟性指標具有一定競爭力，適用于可再生能源發展不足的區域。秸稈資源相對豐富、可再生能源電力有發展優勢和保障的地區，可分階段實施采用可再生能源電力的路線1和3。
圖2 研究方法和主要結論
該工作開展了多場景下基于生物質氣化和可再生能源制氫的生物質制綠色甲醇燃料的系統集成和綜合評估研究，能夠為綠色燃料集成系統穩態與動態研究，以及綠色燃料工業化提供基礎數據支持和解決方案參考。論文的第一作者為上海高研院汪丹峰高級工程師，通訊作者為上海高研院唐志永研究員、陳新慶研究員，第一單位為上海高研院。該研究得到國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。 |
