太阳能光热发电与纯氧燃气发电互补，追梦“终极能源”

编者按

本文系光热发电资深学者张建城先生投稿。作者自2003年步入光热发电领域，最早将强化传热理念引入其中；2009年作为北京中航空港通用设备有限公司首席顾问在北京天竺工业园建立国内第一个槽式太阳能热发电实验装置；现持有光热发电系列发明专利及文献20余项，主要集中在线聚焦集热管强化传热和制造、光热发电与风电互补储热、光热发电超临界二氧化碳系统循环、钠镍熔盐电池结构创新和复合储热蓄电，太阳能风能与燃气互补制氢制甲烷循环热发电技术等。

作者在本文中探讨了太阳能光热发电与纯氧燃烧超临界二氧化碳发电技术的结合的可行性，认为“光热发电+氢能”或许可以使光热发电大放异彩。

前 言

近年来，氢经济成为终极能源的呼声不断。在此背景下，光热发电似乎与氢能距离很远，一点不沾边，有逐步被边缘化的倾向；实则不然，在光热发电寻求高效发电的时候，超临界二氧化碳发电技术的应用被大家普遍看好。但是同样采用超临界二氧化碳作为动力工质的另一个发电技术并未得到广泛宣传，这项技术就是它的近亲半闭式纯氧燃烧超临界二氧化碳发电技术。本文将浅析纯氧燃烧超临界二氧化碳热发电技术，同时进一步探讨二氧化碳加氢甲烷化技术；最主要的是探讨光热发电与纯氧燃烧超临界二氧化碳发电技术的结合，也即与氢能的结合，或许这一结合可以使光热发电大放异彩。

一、CO₂ 加氢甲烷化

CO₂加氢甲烷化反应是由法国化学家保罗·萨巴蒂埃（Paul Sabatier ）在1902年提出，之后他又提出利用太阳能制氢和 CO₂催化加氢反应生成甲烷CH₄ ，再作为能源消耗再次生成 CO₂循环利用的设想。

其公式为：CO₂ + 4H₂→CH₄ + 2H₂O

图：Paul Sabatier

他所提出的设想就是：用可再生能源电力电解水制氢，再通过二氧化碳加氢甲烷化来实现可再生能源与氢能的高度融合。特别是作为燃料存储甲烷气，和光热发电存储热能用于热发电有异曲同工之妙。

上世纪末日本专家拟践行法国科学家保罗·萨巴蒂埃的甲烷循环发电技术，主张利用纯氧混合燃烧甲烷技术驱动燃气发电设备发电，产生的二氧化碳加氢甲烷化再制取甲烷，如此循环往复实现用可再生能源无碳排放发电。他们根据该设想曾提出建立“全球二氧化碳循环策略系统”。日本东北大学为此专门做过简单的循环实验，以验证该理论。但是该设想历经百年，真正为此探索的工程性试验项目鲜有实施。

其中最主要的问题是二氧化碳如何获得，这已然成为一个难解课题。目前从燃气发电或燃煤发电排气中进行碳捕获即CCS技术的成本很高，因此制约了二氧化碳甲烷化技术的推广。我国在煤制气直接二氧化碳加氢反应制取甲烷技术已经工业化，所需氧气通过空分机组获得，因此推广二氧化碳加氢甲烷化技术并不是一件难事。

 图1：日本东北大学1996年搭建的太阳能电解制氢制甲烷纯氧燃烧循环试验装置

二、半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电

布雷顿循环与朗肯循环不同，它可以分为开式、闭式和半闭式三种运行模式：

开式布雷顿循环如航空燃气发动机、发电用的燃气轮机。

其次是闭式布雷顿循环，如目前正在研发的超临界二氧化碳发电设备，使用体外热源驱动布雷顿循环机组运行，由于没有了将水转化蒸汽的热能损失，因此热循环效率远高于朗肯蒸汽循环。目前美国正在实施的sunshot计划正在为未来的太阳能热发电使用该设备进行开发，包括欧洲以及我国都在加大研发投入。

再次就是半闭式布雷顿循环。作者较早看到介绍半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电技术是1964年的美国专利US3134228和1971年的专利US3736745，其开发的应用方向均为潜艇，发明人为美国政府海军部的科学家。为实现产业化，美国政府准许美国企业免费使用该技术。类似的美国技术还有很多，特别值得关注的是外国企业在我国申请的一些专利技术，如美国八河流公司的授权专利201180016993.6等。半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电技术在我国煤制气和煤转化汽油技术中有所提及，但热能领域给予的关注度比较低。

图2：美国专利US3736745附图

自从国际社会倡导减少燃煤或燃气电厂二氧化碳和氮氧化物排放以来，零排放纯氧燃气发电技术，也即半闭式超临界二氧化碳布雷顿燃气热发电技术得到进一步开发。

例如，奥地利格拉茨理工大学提出的“格拉茨循环”模式，美国清洁能源公司CES提出的DSG模式，相同点都力求将半闭式超临界二氧化碳布雷顿循环和蒸汽朗肯循环发电加以结合，拟实现高达70%的热循环效率。虽然这些技术都进行过小规模验证，但商业开发未获进展。

近期，美国八河流公司声称采用“阿拉姆循环”模式可实现零排放燃气发电。目前一个规模为25兆瓦的中试项目已在美国德克萨斯州拉博德市建立，据说2020年运行。该电站收集的二氧化碳主要用于附近油田加注，以提高和延长油井寿命。

图：美国25MW半闭式超临界二氧化碳燃气试验电站

2018年初美国麻省理工学院将该技术列为年度十大发明之一，认为该技术有可能改变世界能源格局。

半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电技术的主要特点在于动力热源引入空气或纯氧作助燃剂；与天然气混合燃烧，同时选择超临界二氧化碳气做动力介质，因系统运行温度高，发电效率可提升至58%。最突出的特点是排出物不含氮氧化物，只有水和二氧化碳，而且经汽水分离可全部回收并加以充分利用。

光热发电可否引入半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电技术？作者认为是完全可以的。它不仅可为互补储热找寻可靠的热源，而且为二氧化碳加氢甲烷化提供了可靠的碳源。

这一设想的逻辑是这样的，利用可再生能源电力电解制氢；然后将半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电产生的二氧化碳收集，经过加压进行二氧化碳加氢甲烷化反应；并将转化的甲烷气存储，这样就为循环使用甲烷气奠定基础。而电解制氢产出的氧气则可以与甲烷气以及补热加压后的二氧化碳气混合燃烧，驱动半闭式布雷顿机组持续发电。如果这一设想变为现实，即可实现可再生能源零碳排放发电，并使光热发电焕发新的生命力，意义非凡。

图3：“格拉茨循环”纯氧燃烧原理图

图4：阿拉姆循环纯氧燃烧示意图

图5：CES循环纯氧燃烧原理图

三、纯氧燃气发电与光热发电互补的可能性

1、纯氧燃气发电与塔式热发电互补。借助塔式悬浮粒子的高温特性（温度须在700度以上），结合半闭式超临界二氧化碳布雷顿纯氧燃气发电优势，利用太阳能和风能产生的电力电解水制氢，以及二氧化碳加氢甲烷化储能，即可开辟光热发电储能新途径。

该设想拟在光照条件好时，采用塔式悬浮粒子电站获得的热能驱动闭式布雷顿循环发电；在光照条件不好时，则采用纯氧燃气半闭式超临界二氧化碳发电进行循环。分离出的二氧化碳与氢进行甲烷化制备，分离出的水做镜场定日镜清洗用水。如图6所示。

图6：塔式悬浮粒子电站与纯氧燃气布雷顿热发电互补示意图

2、纯氧燃气发电与槽式太阳能热发电互补。途径是将槽式太阳能热发电技术有机嫁接在半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统中，通过互补储热以规避槽式太阳能发电不稳定不连续的先天缺陷，同时利用纯氧燃气发电产生的水进行电解制氢制氧。

汽水分离出的二氧化碳除用作动力工质外，其余部分进行加氢甲烷化制备，并将制备的甲烷气进行存储，而利用可再生能源电解水制氢获得的氧气用于系统自身的纯氧燃气布雷顿高效发电；系统冷凝产生的水和加氢甲烷化产生的水存储之后将直接提供给槽式太阳能热发电系统作蒸汽朗肯循环发电使用；多余的水作清洗聚光镜用水。据国外测算，不含甲烷制备产生的水，仅550兆瓦电站就可产生1.8亿加仑水，由此可能导致光热发电站站址选择将不再受水源地限制。

图7：槽式太阳能与风能和燃气互补制氢制甲烷循环热发电示意图

3、纯氧燃气发电与光热发电互补副产绿色化肥。我国是世界上氨产量和使用量最多的国家，占世界总产量的三分之一左右，但是氨的获取主要依赖天然气和煤炭。目前全世界5%的天然气用于生产氨，大多采用哈伯法工艺。每生产一吨氨则排放三吨二氧化碳，可谓二氧化碳排放和电力高耗能大户。

如果借助太阳能或风能等可再生能源电力通过空分设备制取氧气，利用副产的氮气与电解水制取的氢气混合制备“绿色氨”，再与燃气发电系统回收的二氧化碳混合生产碳酸氢氨、尿素等化工产品。不仅可大幅减少我国的二氧化碳排放，而且经农业施放“绿色化肥”还可实现真正意义的二氧化碳自然循环。

槽式光热发电结合风电、光伏与纯氧燃气发电互补，同时进行氨制备，即可实现“绿色化肥”生产。该技术的应用对我国西部风能和太阳能禀赋较高，但自身吸纳能力较弱的地区无疑是一件好事。

对于政策制定者而言，也可据此鼓励农用石化项目，逐渐由我国东部西移至可再生能源丰富的西部地区，既有利于优化国土产业布局，也有利于二氧化碳减排；同时改善影响我国东部雾霾气象的气凝胶积聚效应，真可谓一举多得。如图8所示。

图8：太阳能、风能与燃气互补热发电副产化肥示意图

 结 语

太阳能光热发电在我国面临的风险不容忽视，最大风险来源于财政补贴退坡政策以及光热发电的高投资、高成本。

在颠覆性技术出现之前，其经济性决定光热发电尚无法参与电力市场竞争。特别是面对光伏、风电进入平价发电时代，光热发电技术面临的生存环境更加严酷。除此之外，太阳能热发电对自然环境要求近乎苛刻，因此必须结合我国国情对传统光热发电技术进行再创新，其中选择多能互补是必由之路。无论与光伏、风电互补，还是与纯氧燃气发电互补，都可以利用光热发电特有的储热功能规避光热发电自身存在的先天缺陷，特别是经过多能互补大幅提升电站发电时数，无疑可提升自身参与市场竞争的能力。

在新产业特别是氢经济作为新能源拓展之时，光热发电也应该争得一席之地，借助纯氧燃气发电回收的二氧化碳，辅之以可再生能源制氢，即可展现光热发电与氢能结合的独特优势。

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