歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心近日發(fā)布了《先進(jìn)替代燃料技術(shù)發(fā)展報(bào)告》，總結(jié)了先進(jìn)替代燃料全鏈條技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及部署障礙。主要內(nèi)容如下：
一、技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1、電力合成燃料

電力合成燃料（Power-to-X）的主要途徑是通過電解水生成H2，隨后與CO2合成轉(zhuǎn)化為氣體或液體燃料。電力合成燃料是未來(lái)能源系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，能夠?qū)⑦^剩的波動(dòng)性可再生能源整合到能源系統(tǒng)中，還能平衡電力供需。盡管電力合成燃料所需的許多技術(shù)步驟已廣泛用于工業(yè)中，但某些環(huán)節(jié)技術(shù)的成熟度較低，因此目前尚未實(shí)現(xiàn)完整的電力合成燃料技術(shù)鏈的規(guī)?；虡I(yè)生產(chǎn)。

圖1 電力合成燃料的潛在技術(shù)路徑

（1）可再生能源電力制氫

目前，商用堿性電解堆的額定效率（低熱值）和比能耗分別為63%-71%和4.2-4.8 kWh/Nm3，質(zhì)子交換膜電解堆分別為60%-68%和4.4-5.0 kWh/Nm3，而固體氧化物電解堆則為100%（運(yùn)行于熱中性點(diǎn)電壓）和3 kWh/Nm3。在生產(chǎn)能力方面，這三類電解堆的生產(chǎn)速率分別為1400、400和＜10 Nm3/h。另外，電解系統(tǒng)在較低氫氣生產(chǎn)速率下（如低于100 Nm3/h）的性能會(huì)下降。壽命是電解槽的另一個(gè)重要參數(shù)，質(zhì)子交換膜電解槽壽命最長(zhǎng)，達(dá)到6-10萬(wàn)小時(shí)，其次是堿性電解槽（5.5-12萬(wàn)小時(shí)），固體氧化物電解槽尚未完全商業(yè)化，其壽命為0.8-2萬(wàn)小時(shí)。而且，由于老化帶來(lái)的效率降幅約為：堿性電解槽每年降低0.25%-1.5%；質(zhì)子交換膜電解槽每年降低0.5%-2.5%；固體氧化物電解槽不確定性較大，每年效率降低的范圍在3%-50%。而在投資成本方面，堿性電解槽最低（800-1500歐元/kW），其次是質(zhì)子交換膜電解槽（1400-2100歐元/kW），固體氧化物電解槽則超過了2000歐元/kW，具體范圍難以確定。

總體而言，堿性電解槽是當(dāng)前電解水制氫最成熟的技術(shù)，其投資和維護(hù)成本最低，已經(jīng)可以生產(chǎn)單堆最高容量達(dá)到6 MW的電解槽。近年來(lái)，靈活儲(chǔ)能的需求極大地推動(dòng)了質(zhì)子交換膜電解槽的發(fā)展，其容量已經(jīng)進(jìn)入MW級(jí)，6 MW規(guī)模的試點(diǎn)工廠已經(jīng)在運(yùn)行。與堿性電解槽相比，質(zhì)子交換膜電解槽在緊湊型設(shè)計(jì)（高電流密度）、加壓運(yùn)行和靈活性方面都具有優(yōu)勢(shì)。隨著電解槽產(chǎn)量提升、供應(yīng)鏈的發(fā)展、制造工藝的改進(jìn)以及技術(shù)創(chuàng)新，未來(lái)的投資成本可能會(huì)下降。質(zhì)子交換膜電解槽和堿性電解槽能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供非常快的負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間低于1秒）。相比之下，固體氧化物電解槽具有提高制氫效率的潛力，并且可以可逆運(yùn)行，但需繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，以及壽命、加壓運(yùn)行和循環(huán)穩(wěn)定性的驗(yàn)證。除使用可再生能源電解水制氫外，還有光催化制氫和光生物水解制氫等綠色制氫方法。其中，過去十年光催化制氫的轉(zhuǎn)化率（從太陽(yáng)能到氫氣）已經(jīng)從3%提升至10%以上，但其技術(shù)成熟度仍為第3級(jí)。

（2）碳捕集技術(shù)?

高濃度排放源的碳捕集。CO2的大規(guī)模工業(yè)排放主要來(lái)自四個(gè)行業(yè)：鋼鐵、水泥、煉油和造紙，其中水泥行業(yè)由于工藝簡(jiǎn)單和單一煙道流等特點(diǎn)，其碳捕集率可達(dá)到最高。水泥生產(chǎn)中60%的碳排放來(lái)自煅燒含CaCO3原料的過程，剩余40%則來(lái)自供熱。目前歐盟“地平線2020”計(jì)劃資助的CEMCAP項(xiàng)目已經(jīng)獲得了200 kWth規(guī)模中試實(shí)驗(yàn)的成功（技術(shù)成熟度達(dá)到6級(jí)），并且在較廣工作條件下可以保持較高碳捕集率（95%）。?

胺基溶劑燃燒后碳捕集。目前燃燒后碳捕集是最可行的技術(shù)，可顯著減少燃煤電廠的碳排放。其中最為先進(jìn)的技術(shù)是基于胺基溶劑的碳捕集技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于一些燃煤電廠。

（3）燃料合成：電力合成氣體燃料

H2和CO2合成甲烷的主要途徑有以下三種：生物甲烷化、等溫催化甲烷化和絕熱固定床甲烷化。生物甲烷化適用于小型發(fā)電廠，因?yàn)榭梢允褂糜酂醽?lái)提供過程熱，其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)雜質(zhì)（如硫和氧）具有高度耐受性，因此可以簡(jiǎn)化原料氣的清潔過程，目前生物甲烷化仍處于實(shí)驗(yàn)室和示范階段。絕熱固定床甲烷化適用于超過100 MW的規(guī)模，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)階段。等溫催化甲烷化是常規(guī)工廠規(guī)模的最合適技術(shù)，但其仍處于實(shí)驗(yàn)階段，并正在進(jìn)行大規(guī)模測(cè)試。由于效率偏低，電力合成氣體燃料主要用于消耗過剩電力，而非用作滿足當(dāng)前天然氣需求的技術(shù)。對(duì)于從可再生能源到合成天然氣直至用于天然氣發(fā)電的整個(gè)轉(zhuǎn)換鏈，其能源轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到30%-40%，與傳統(tǒng)火電廠相當(dāng)，到2030年有望達(dá)到40%-50%。此外，由于成本偏高，電力合成氣體燃料的另一發(fā)展趨勢(shì)是擴(kuò)大規(guī)模以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，但其面臨可再生能源電力的波動(dòng)性以及CO2來(lái)源的規(guī)模和位置限制。

（4）燃料合成：電力合成液體燃料

電力合成液體燃料通常指將電解水制取的H2與CO2或CO合成烴類燃料，主要有費(fèi)托合成和甲醇路線。費(fèi)托合成使用合成氣生產(chǎn)液體烴燃料，合成氣幾乎可以從任何含碳原料中產(chǎn)生，使用煤炭或天然氣為原料的大型費(fèi)托合成工廠正在成功運(yùn)行。利用電解水制取的H2，通過費(fèi)托合成方式與CO2合成汽油、柴油等液體燃料，這一新型路徑與傳統(tǒng)費(fèi)托合成的區(qū)別在于規(guī)模更小，以匹配CO2來(lái)源。微結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器設(shè)計(jì)能夠增加反應(yīng)表面積，從而大大增強(qiáng)熱傳遞并改善溫度控制。推動(dòng)微通道費(fèi)托合成反應(yīng)器技術(shù)商業(yè)化的公司有美國(guó)Velocys公司和德國(guó)Ineratec GmbH公司。對(duì)于不同的工廠規(guī)模，采用費(fèi)托合成的電力合成液體燃料技術(shù)的投資成本為300-2100歐元/千瓦燃料。

除費(fèi)托合成外，還可將H2與CO/CO2合成為甲醇，用于生產(chǎn)交通燃料，或?qū)⑵溆米鞔萌剂稀Ｄ壳?，甲醇路線的研發(fā)重點(diǎn)是CO2直接加氫轉(zhuǎn)化為甲醇。公路和航空運(yùn)輸部門正研究將甲醇轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴，目前已部署了幾家甲醇制汽油的商業(yè)工廠，此外還可將甲醇轉(zhuǎn)化為柴油和煤油，收率高達(dá)80%。對(duì)于不同的工廠規(guī)模，采用甲醇路線的投資成本為200-1200歐元/千瓦燃料。

2、微生物發(fā)酵

微生物發(fā)酵制燃料技術(shù)主要由新西蘭的朗澤公司（Lanzatech）推動(dòng)，通過殘留氣體發(fā)酵將碳生物轉(zhuǎn)化為醇類產(chǎn)品。該技術(shù)可以將富含碳的廢氣作為碳源，因而為碳利用提供了一種新的方法。工業(yè)廢氣微生物發(fā)酵以朗澤公司為主導(dǎo)，主要利用鋼鐵、煉油等行業(yè)產(chǎn)生的廢氣生產(chǎn)乙醇，進(jìn)而可用于生產(chǎn)航空替代燃料。該技術(shù)已經(jīng)到了試點(diǎn)/示范階段，2018年10月維珍大西洋航空公司宣布首次利用微生物發(fā)酵產(chǎn)生的燃料進(jìn)行了飛機(jī)試飛。2018年中已有大規(guī)模示范工廠宣布開工建設(shè)。

3、其他技術(shù)

除上述技術(shù)外，還有一些其他先進(jìn)燃料技術(shù)。如基于藍(lán)細(xì)菌工藝?yán)每稍偕茉措娏χ迫〉?/span>H2生產(chǎn)氨，以用作交通替代燃料。相比H2，氨更易于存儲(chǔ)和運(yùn)輸，且已經(jīng)具備成熟的生產(chǎn)和分配基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于氨-燃料系統(tǒng)的生命周期分析顯示，需改進(jìn)車輛技術(shù)提升經(jīng)濟(jì)性，以實(shí)現(xiàn)氨燃料在交通領(lǐng)域的使用。

另一種技術(shù)是使用塑料等廢物生產(chǎn)液體燃料，主要涉及氣化、費(fèi)托合成和熱解等過程。目前已有示范工廠，直接從垃圾場(chǎng)回收原料中熱解塑料，無(wú)需進(jìn)行任何預(yù)處理，熱解油可在現(xiàn)有煉油廠中提煉為運(yùn)輸燃料。加拿大Enerkem公司的工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其將固體廢物轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇或其他化學(xué)品。美國(guó)Velocys公司也利用城市固廢生產(chǎn)燃料，是中小型費(fèi)托反應(yīng)器的供應(yīng)商。美國(guó)Fulcrum BioEnergy公司的首個(gè)固廢生產(chǎn)燃料工廠已經(jīng)開始了第二階段的建設(shè)，但其塑料原料可能來(lái)自于化石燃料。

二、主要部署障礙

1、成本障礙。成本是阻礙電力合成燃料進(jìn)一步部署的主要障礙，盡管各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)已經(jīng)存在，仍然缺乏電力合成燃料完整的大規(guī)模生產(chǎn)路徑。電力合成燃料的成本仍然過高，難以與其他燃料競(jìng)爭(zhēng)。

2、電網(wǎng)負(fù)荷障礙。如果實(shí)現(xiàn)電力合成燃料的大規(guī)模生產(chǎn)，則將會(huì)極大增加對(duì)可再生能源電力的需求，這將會(huì)給電網(wǎng)增加大量負(fù)荷。

3、技術(shù)障礙。需改進(jìn)電解系統(tǒng)以最大限度地提高H2的產(chǎn)量，同時(shí)保持較好運(yùn)行性能。將H2作為燃料直接使用在一定程度上受到基礎(chǔ)設(shè)施的限制，此外，還需要普及氫燃料電池汽車。使用費(fèi)托合成的電力合成液體燃料技術(shù)已被證明可以大規(guī)模使用，但需驗(yàn)證該技術(shù)可以在較小的規(guī)模上很好地工作，從而能夠與小規(guī)模的CO2來(lái)源相匹配。涉及甲醇合成的電力合成液體燃料技術(shù)需要改善高工藝壓力的問題。碳捕集系統(tǒng)的總體改進(jìn)仍在繼續(xù)，尤其需要減少能源消耗問題。廢氣發(fā)酵技術(shù)盡管仍在發(fā)展，但仍需進(jìn)一步進(jìn)行示范驗(yàn)證。

（來(lái)源：先進(jìn)能源科技戰(zhàn)略情報(bào)研究中心）