可再生能源电转气技术及其生命周期评价

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以风能、生物质能、太阳能为代表的可再生能源具有储量丰富、环境友好等特征,利用可再生能源发电可以有效应对严峻的能源危机和环境污染问题,但其发电电能不稳定,波动较大,无法持续稳定地供能,弃能现象十分普遍。电转气(Power to Gas,P2G)是一种新型储能技术,将可再生能源的不稳定电能转化为可燃气体中稳定的化学能,将可再生能源发电与电转气技术进行协同利用,能良好地解决这一难题。为了评估可再生能源电转气技术的可行性,本文以风能电转气技术和生物质电转气技术为例,以这两种可再生能源电转气技术的工艺流程为基础,利用生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)方法对可再生能源电转气技术生命周期内的各阶段进行经济效益与环境效益评估。分别利用Aspen Plus V10.0软件和Sima Pro V9.0软件对这两种可再生能源电转气技术进行工艺流程的模拟仿真和全生命周期的环境影响评价。首先,对风能电转气技术进行生命周期评价。选择1kg CH4为功能单位,建立风能电转气技术的生命周期系统边界;接着进行清单分析,利用Aspen Plus软件计算在电转气阶段生产1kg CH4所消耗电能与反应物的量,将各阶段的资源消耗和污染物排放情况进行汇总;然后利用Sima Pro软件对风能电转气技术进行生命周期评价。风能电转气技术生命周期评价结果表明,全球暖化、人体毒性、海洋水生毒性等三种环境影响的程度较为突出。风机与电转气设备制造阶段、风机与电转气设备运输和搭建阶段、CH4和H2生产阶段的全球暖化潜值(GWP)呈递减趋势。甲烷运输与利用阶段对全球暖化潜值的贡献值最大,占比58.6%;设备生产阶段对海洋水生毒性潜值(MTP)的贡献值最大,占比69.22%。人体毒性潜值(HTP)仅次于MTP,主要影响阶段为设备制造阶段与水电解过程。整个生命周期内酸化(AP)、光化学污染(POF)、富营养化(EP)的环境影响程度较小。甲烷化反应阶段的环境影响潜值始终为负。采用Sima Pro软件对普通电转气技术(即燃煤发电为电转气技术的电能供应端)全生命周期进行环境影响评价,发现全球暖化、人体毒性、海洋水生毒性和淡水水生毒性的环境影响尤为突出。将这四种环境影响类型的数值与风能电转气的相应数值进行对比,发现风能电转气的全球暖化潜值、海洋水生毒性潜值和淡水水生毒性潜值(FTP)分别为普通电转气技术的8.24%、12.40%和28.63%,风能电转气技术只在人体毒性潜值这项指标上高于普通电转气技术。其次,对生物质电转气技术进行生命周期评价。选择稻秸和玉米秆这两种不同的生物质进行分析。利用Aspen Plus软件建立生物质预处理阶段和生物质直燃发电阶段的流程仿真图,分别模拟计算这两种生物质在直燃发电过程中的污染物排放量及原料消耗量,将各阶段的资源消耗和污染物排放情况进行汇总;利用Sima Pro软件对这两种生物质电转气技术进行生命周期评价。结果表明,全球暖化、海洋水生毒性、酸化是最主要的环境影响类型,生物质直燃发电是全球暖化和酸化最主要的影响阶段,生物质获取是海洋水生毒性最主要的影响阶段。在全球暖化、人体毒性、酸化等环境影响类型上,两者的影响程度较为相似,但在海洋水生毒性这一环境指标上,两者差异较大,稻秸电转气技术的影响潜值远超玉米秆电转气技术。最终,将生物质电转气与风能电转气的主要环境指标进行对比分析,发现海洋水生毒性始终是这两种可再生能源电转气生命周期中影响程度最大的环境指标,其中稻秸电转气技术的海洋水生毒性最大;在全球暖化方面,生物质电转气技术的环境影响潜值高于风能电转气技术;在淡水水生毒性方面,风能电转气技术略高于生物质电转气技术;在人体毒性方面,风能电转气技术的影响程度较大。这两种可再生能源电转气技术的环境影响均优于普通电转气技术,指出可再生能源电转气是一项前景广阔的新型能源利用技术。
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