通过甲烷化工艺利用海外氢进行发电的经济性与环境性评价

Original AIpatent AIpatent 前沿研发信息介绍平台 2022-06-12

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本文1924字，阅读约需5分钟

摘要：本文为日本电力中央研究所关于通过甲烷化工艺利用海外氢进行发电的最新报告书内容。

关键字：氢能源载体，甲烷化，合成甲烷，发电成本，CO₂排放强度

本文中假设在日本的燃气轮机联合循环（GTCC）中使用海外的无碳氢来生成合成甲烷，对发电成本、使用燃料时的二氧化碳排放强度和二氧化碳排放量进行了估算。在估算中采用了碳循环技术发展路线图等以2050年为目标的未来技术的各种规格。主要结论如下：

利用海外的甲烷化工艺制成的合成CH₄的发电成本低于液化H₂，而利用日本国内的甲烷化工艺制成的合成CH₄的发电成本高于液化H₂。
与天然气的CO₂排放强度相比，使用化石燃料来源的CO₂制成的CH₄具有约50%的CO₂削减效果，而利用CO₂再循环工艺的合成CH₄具有约90%的CO₂削减效果。
根据日本“绿色增长战略”，用于甲烷化工艺的CO₂量估计约为5000万吨/年。当这些CO₂来自大型发电厂时，1400MW级的GTCC发电厂仅能提供约5.0%，200MW级的木质生物质锅炉仅能提供约1.8%。

基于上述估算结果，在海外利用来自可再生能源的CO₂通过甲烷化工艺制成的合成CH₄占据优势。在CO₂采购量方面存在课题的情况下，可以通过CO₂再循环工艺，使CO₂采购量降为原来的约1/6。

背景

关于氢（H₂）的能源载体，其中之一是利用甲烷化工艺生成的合成甲烷（合成CH₄）^[1]。合成CH₄具有可在现有的液化天然气（LNG: Liquefied Natural Gas）设备中使用、不需要改造或增加设备的优点，但燃烧后会排放二氧化碳（CO₂）。其CO₂排放对全球变暖产生的影响取决于甲烷化工艺中使用的CO₂类型（化石燃料来源、可再生能源来源），因此需要在考虑这些因素的同时对合成CH₄的经济性和环境性做出评价。

目的

假设在日本国内的燃气轮机联合循环（GTCC：Gas Turbine Combined Cycle）发电设备中使用海外的无碳H₂来生成合成CH₄，对发电成本、直接CO₂排放强度^注1）,以及日本国内和海外的甲烷化工艺所需的CO₂采购量进行估算，从而明确有用的合成CH₄供应链。

主要成果

根据甲烷化工艺的场所（日本国内/海外）与用于甲烷化工艺的CO₂类型（天然气来源/木质生物质来源/CO₂再循环）的组合，假设了6种情况，另外，为了进行比较，还假设了以液化H₂或LNG作为直接燃料的情况等（图1）,对发电成本、直接CO₂排放强度、CO₂采购量进行了估算。在估算中采用了碳循环技术发展路线图等以2050年为目标的未来技术的各种规格。

1. 发电成本

对于每种情况，基于平准化度电成本^注²^）估算了发电成本（图2）。从海外采购的合成CH₄（②③④）比液化H₂（①）的发电成本低。这是由于虽然通过甲烷化工艺，使进口前的燃料成本（H₂原料、CO₂原料、甲烷化工艺的费用）约为液化H₂的1.6倍，但运输成本（液化、装货、海上运输、卸货的成本）仅为液化H₂的约1/3。与液化H₂（①）相比，日本国内制造的合成CH₄（⑤⑥⑦）不仅使用高运输成本的液化H₂，而且在日本国内进行甲烷化的成本也很高，因此其发电成本高。

2. 直接CO₂排放强度

对于每种情况，由化石燃料产生的CO₂向大气的排放量除以总发电量（作为甲烷化工艺中的CO₂来源的火力发电和消耗合成CH₄的火力发电的发电量），估算出直接CO₂排放强度（图2）。关于直接CO₂排放强度，与LNG（⑧）相比，使用天然气来源CO₂的合成CH₄（②⑤）只有约50%的CO₂削减效果，而使用通过CO₂再循环工艺获得的CO₂的合成CH₄（④⑦）在回收部分约有90%的CO₂削减效果。利用木质生物质来源CO₂的合成CH4（③⑥）达到碳中和。

3. CO₂采购量

在基于“绿色成长战略”将合成CH₄的发电量比例设定为10%的情况下，估算出甲烷化工艺的CO₂采购量约为5000万吨/年（②~⑦）。在从大型发电站采购CO₂的情况下,1400MW级天然气GTCC只能提供约5.0%，200MW级木质生物质锅炉只能提供约1.8%。因此，在日本国内很难采购到CO₂的全部所需量，从海外采购也只能在CO₂集中的地方进行。关于利用CO₂再循环工艺（④⑦）的采购量，由于包含CO₂回收量，因此经估算，需要新采购的CO₂量可以降低到500~900万吨/年。

4. 综合评价

从发电成本、直接CO₂排放强度、CO₂采购量的角度来看，利用木质生物质等可再生能源来源的CO₂，在海外通过甲烷化工艺形成的合成CH₄有望成为H₂能源载体。在CO₂采购量方面存在课题的情况下，可以通过CO₂再循环工艺，使CO₂采购量降为原来的约1/6。

图1 本研究中各情况的概念图

假设化石燃料来源的CO₂是天然气GTCC废气，可再生能源来源的CO₂是木质生物质锅炉废气，在CO₂再循环工艺中，发电时产生的CO₂的90%被回收，不足的10%从其他天然气GTCC废气中回收。图中“发电”的标记表示在该设备中进行发电。

图2 各种情况下设想的未来发电成本和直接CO₂排放强度

使用碳循环技术路线图等技术创新实现时的技术规格。CCS（碳捕获与封存）虽然引用了低成本的方法，但是由于选址的限制等导致实施的前景不明了，根据施工方法的不同还需要更多的成本。

注：

注1）根据相关设备的建设或消耗电力，会间接排放化石燃料来源的CO₂，但是本研究只考虑在各个情况下由燃料消耗直接产生的CO₂排放量。

注2）考虑到货币价值未来的不确定性，使用运行年数期间的总费用除以总发电量得出的数值。

翻译：肖永红

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊