欧洲在天然气管道中储存电力

将过剩的风能和太阳能转化为氢气可以扩大可再生能源的覆盖范围

丹麦哥本哈根海域外的风力涡轮机。

上个月,丹麦最大的能源公司Ørsted表示,它在北海提议建设的风电场将把部分过剩电力转化为天然气。来自海上输送的电力将为陆上的电解厂供电,这些电解厂将分解水以产生清洁燃烧的氢气,氧气作为副产品。这将为需要能源但不需要电力的用户提供新的能源供应。同时,随着难以处理的可再生能源份额不断增加,这将缓解欧洲电网的压力。

随着可再生能源发电量的激增,将清洁电力转化为氢气或甲烷等高能气体是一个正在复兴的旧想法。这是因为气体可以储存在天然气分配系统中,以应对风力和阳光不足的时候。它们还可以提供集中的能量,以取代车辆和工业的化石燃料。尽管许多美国能源专家认为这种“电力制气”愿景可能过于昂贵,但一些欧洲最大的工业公司正在接受这个想法。

欧洲电力设备制造商预计将出现像Ørsted这样的可再生氢项目浪潮,他们在1月份承诺,到明年所有燃气轮机都将获得认证,可以在高达20%的氢气下运行,氢气燃烧速度比富含甲烷的天然气快。与此同时,天然气分销商表示,他们将利用氢气帮助他们在2050年前完全实现欧洲天然气供应的脱碳。


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电力制气在欧洲兴起,是因为该地区的气候政策更加一致和积极。大多数美国州的目标是清理一部分电力供应;燃煤和燃气发电厂占美国温室气体排放量的四分之一多一点。相比之下,欧洲国家的目标是在本世纪中叶将碳排放量减少80%或更多——这需要全经济范围转向低碳能源。

通过去除化石燃料中的碳来清理能源是昂贵的。建设大规模的新电网基础设施,包括输电线路和巨型电池也是如此。电力制气可能是最便宜的前进方式。“为了实现气候保护目标,我们需要更多的可再生能源。绿色氢被认为是实现能源转型的最有希望的方式之一,”慕尼黑电气设备巨头西门子的能源和电子研究主管阿明·施内特勒说。

欧洲已经有超过45个示范项目,以改进电力制气技术及其与电网和天然气网络的集成。主要重点是使将电力转化为氢气的电解槽更高效、更持久和更便宜地生产。

这些项目也在扩大各种技术的规模。早期的装置转换了几百千瓦的电力,但像西门子这样的制造商现在正在建造可以转换10兆瓦的设备,据财务咨询公司安永称,这每年将产生足够的氢气来为大约3000户家庭供暖或为100辆公共汽车提供燃料。

质子交换膜电解槽的改进最为显著,它类似于氢动力汽车中使用的燃料电池(但经过优化以产生氢气而不是消耗氢气)。根据2月份发表在《自然能源》杂志上的一项研究,在过去十年中,质子交换电解槽的价格下降了大约40%。它们也比旧的碱性电解厂紧凑五倍,可以在天然气消费者附近实现现场制氢,并且它们可以在几秒钟内改变其功耗,以应对波动的风能和太阳能发电。

许多欧洲试点项目也在演示将氢气转化为甲烷的“甲烷化”设备,甲烷可以用作天然气的直接替代品。然而,欧洲的电解厂表明,甲烷化对于电力制气愿景来说并不像倡导者长期以来认为的那么关键。许多电解槽正在将氢气直接注入天然气管道——这是美国天然气公司禁止的——而且它们这样做既不影响天然气基础设施,也不影响天然气消费者。

欧洲首次大规模氢气注入始于2013年德国东部,由埃森的电力公司E.ON安装了一个2兆瓦的电解槽。此后,德国已将其允许在天然气管道中的氢气量从最初的2%(按体积计)提高到10%,其他欧洲国家也纷纷效仿,制定了自己的氢气允许量。弗莱堡的弗劳恩霍夫太阳能系统研究所氢气技术负责人克里斯托弗·赫布林预测,这些限制将提高到欧洲涡轮机制造商预期的20%水平。

通过天然气管道输送可再生氢气和甲烷有望降低转向可再生能源的成本。例如,天然气网络拥有储藏洞穴,其储备可用于在风能和太阳能输出较低的时期运行燃气发电厂。赫布林指出,德国的天然气网络可以储存240太瓦时的能量——大约是全球电网目前通过抽水上山来补充水电水库所能储存的能量的25倍。根据荷兰能源咨询公司Navigant(前身为Ecofys)的数据,到2050年,将天然气基础设施重新用于帮助电力系统可以为欧洲消费者节省1380亿欧元(1560亿美元)。

尽管有所有的试点工厂和承诺,可再生氢目前仅供应欧洲天然气的一小部分。根据国际可再生能源机构的数据,在全球范围内,大约4%的氢气是通过电解提供的,大部分是从化石燃料中提炼出来的。

然而,电力制气正在赶上。根据2月份的《自然能源》研究,可再生氢气在某些小众应用中已经可以自给自足,进一步的电解槽改进将逐步扩大其市场。“如果成本像最近几年那样继续下降,那么电力制气将在未来十年内大规模地具有竞争力,”该研究的合著者、慕尼黑工业大学的经济学家冈瑟·格伦克说。

格伦克说,如果政府像支持太阳能和风能一样,为可再生氢气和甲烷保证溢价,电力制气可以更快地扩大规模。

能源存储研究员出身的顾问、安永伦敦执行董事蒂姆·卡尔弗也认为,欧洲各国政府需要加强对电力制气项目和市场的支持。卡尔弗称,迄今为止的资金规模“与我们面临的长期脱碳挑战和氢气的潜在作用不成比例”。

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