原文標題：Global production potential of green methanol based on variable renewable electricity
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee02951d
原文譯名：基于可變可再生能源電力的全球綠色甲醇生產(chǎn)潛力
期刊名稱：Energy & Environmental Science 2024年影響因子/JCR分區(qū)：32.4/Q1
發(fā)表時間：2024年
作者信息：Mahdi Fasihi，Christian Breyer.
摘要
甲醇是全球主要的石化產(chǎn)品。利用 Power-to-X 技術(shù)生產(chǎn)的綠色甲醇是解決現(xiàn)有甲醇供應(yīng)化石化和化石燃料替代問題的潛在方案。本研究調(diào)查了在 0.45°×0.45°空間分辨率范圍內(nèi)，基于光伏-風能混合系統(tǒng)的每小時電力供應(yīng)，利用電解氫和大氣二氧化碳生產(chǎn)最低成本綠色電甲醇的最佳系統(tǒng)配置。結(jié)果表明，到 2030 年，太陽能光伏發(fā)電將成為世界大部分地區(qū)的主要發(fā)電技術(shù)。以7%的加權(quán)平均資本成本計算，2020 年、2030 年、2040 年和 2050 年，在最佳地點生產(chǎn)電甲醇的成本范圍分別為每噸甲醇 1200-1500、600-680、390-430 和 315-350 歐元。到 2040 年，電甲醇的生產(chǎn)成本將與市場價格持平，這表明甲醇供應(yīng)可以在不增加消費者成本的情況下實現(xiàn)去化石化。相反，當燃料價格低于 11 美元時，電甲醇的成本仍高于天然氣甲醇的成本。然而，每噸二氧化碳排放成本高達 150 歐元的引入可將天然氣甲醇的成本提高到每噸甲醇約 300 歐元，從而顯著提高電甲醇在市場上的成本競爭力。
介紹
甲醇（CH3OH 或 MeOH）是全球第三大初級石化產(chǎn)品。甲醇的主要衍生物包括烯烴、甲醛、乙酸、甲基叔丁基醚、甲基丙烯酸甲酯和二甲醚，用于汽車、建筑、涂料、制藥和包裝。甲醇還部分用于汽油混合或轉(zhuǎn)化為汽油作為運輸燃料。目前，甲醇主要由天然氣生產(chǎn)，部分由石油和煤炭生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中每噸甲醇排放 0.5-1.5 噸二氧化碳 (tCO2)。此外在甲醇或其衍生物的使用壽命結(jié)束時，通過焚燒會產(chǎn)生每噸甲醇 1.375 噸二氧化碳的額外排放量。鑒于氣候變化的緊迫性，根據(jù)《巴黎協(xié)定》，必須減少甲醇生產(chǎn)需求增長所產(chǎn)生的溫室氣體排放。
利用可持續(xù)的低碳原料和能源生產(chǎn)甲醇是減少溫室氣體排放的一種選擇?？稍偕娏?，特別是太陽能光伏發(fā)電（PV）和風力發(fā)電的成本不斷下降，加上工業(yè)規(guī)模的二氧化碳直接空氣捕集（DAC）技術(shù)的進步，顯示了通過水電解可持續(xù)地供應(yīng)氫氣和通過 DAC 可持續(xù)地供應(yīng)二氧化碳的潛力。通過直接二氧化碳加氫合成甲醇因其更高的能源和經(jīng)濟效率 、更少的冷卻需求和更簡單的工廠設(shè)計而受到青睞。預(yù)計2050 年由綠色甲醇供應(yīng)的常規(guī)甲醇需求量可達到每年 4.4-7.61 億噸。電制甲醇方法的技術(shù)可行性，以及豐富的太陽能和風能資源，為以可再生電力為基礎(chǔ)的甲醇（電甲醇）提供了潛在的供應(yīng)能力。本研究以 0.45° × 0.45° 的空間分辨率調(diào)查了 2020 年至 2050 年全球范圍內(nèi)通過光伏-風能混合發(fā)電-甲醇系統(tǒng)以小時為單位優(yōu)化大氣二氧化碳捕集和氫化的電甲醇的成本和發(fā)電潛力。本研究還報告了實現(xiàn)最低成本燃料生產(chǎn)和運營行為所需的技術(shù)組合，提供了電甲醇和傳統(tǒng)甲醇生產(chǎn)的成本比較。
討論與結(jié)果
1、技術(shù)組合和平準化電力成本
充足的低成本電力是低成本 “Power-to-X ”產(chǎn)品的基礎(chǔ)。圖 1 中的每小時優(yōu)化結(jié)果顯示，到 2030 年，除巴塔哥尼亞、中歐和北歐、美國中西部以及北緯 60 度以上的大部分地區(qū)外，光伏發(fā)電在全球大部分地區(qū)的電甲醇生產(chǎn)中占據(jù)主導地位。到 2050 年，光伏發(fā)電為主的地區(qū)將擴展到全球各地，尤其是巴塔哥尼亞、中歐和美國。
圖 1. 2030 年和 2050 年光伏發(fā)電裝機容量與光伏-風電混合裝機容量的比率、削減電力的比率、電池放電量與總電力需求量的比率，以及以氫為燃料的燃氣輪機發(fā)電量與現(xiàn)場電子甲醇的比率
2030 年，在世界大部分地區(qū)，成本優(yōu)化的光伏-風能混合系統(tǒng)發(fā)電量的約 2-10% 會被削減。到 2050 年，隨著發(fā)電成本的降低，全球電力削減率一般會增加 2-10 %。在 2030 年和 2050 年，電池在向最終用途供電方面的作用最多占總電力需求的 5%。在光伏發(fā)電比例較高的地區(qū)與電池比例較高的地區(qū)之間存在直接的相關(guān)性。氫燃料燃氣輪機沒有起到平衡作用。雖然光伏-風能混合發(fā)電廠的平準化發(fā)電成本僅基于其技術(shù)組合，但向最終用戶交付電力的成本會受到平衡解決方案的額外成本的影響。如圖 2 所示，最佳地點的平準化發(fā)電成本從 2020 年的每兆瓦時 20-25 歐元降至 2050 年的每兆瓦時 7-10 歐元，而向最終用戶交付電力的成本則分別從每兆瓦時 25-30 歐元降至每兆瓦時 8-11 歐元。
圖 2. 2020年、2030年、2040年和2050年的混合光伏-風力發(fā)電平準化成本和最終用電平準化成本
2、電甲醇的平準化成本和生產(chǎn)潛力
如圖 3 所示，結(jié)果表明 2020 年在世界上最佳地點，如巴塔哥尼亞、阿塔卡馬沙漠、西藏、非洲之角、美國中西部、非洲北部的部分地區(qū)以及理論上格陵蘭島的大部分地區(qū)，生產(chǎn)電甲醇的成本范圍為 1200-1500 歐元/噸甲醇。2020 年，除阿塔卡馬沙漠外，其余最佳地點的能源組合將以風能為主。到 2030 年，各大洲最佳地點的電子甲醇生產(chǎn)成本可降至 600-680 歐元/tMeOH，其中以光伏發(fā)電為主的地點占大多數(shù)。到 2040 年，以光伏為主的地區(qū)將率先生產(chǎn)出成本最低的電甲醇，為每噸390-430 歐元。在光伏發(fā)電占主導地位的地區(qū)，電甲醇的成本下降相對較快。到 2050 年，電甲醇的生產(chǎn)成本可達 315-370 歐元/tMeOH，遍及各大洲，而阿塔卡馬沙漠仍是成本最低的地區(qū)。圖 3. 2020年、2030年、2040年和2050年的電甲醇現(xiàn)場平準化成本
每個地點的電子甲醇年產(chǎn)量與該地點的太陽能和風能潛力以及應(yīng)用的技術(shù)組合直接相關(guān)。如圖 4 所示，在風能為主的地區(qū)，電甲醇的年產(chǎn)量可達 0.2-0.6 MtMeOH/1000 平方公里，而在光伏和風能混合發(fā)電并充分利用光伏面積的地區(qū)，從 2030 年到 2050 年，發(fā)電量可分別達到 1.6-2.5 MtMeOH/1000 平方公里。
圖 4. 2030年和2050年的電制甲醇最佳年發(fā)電潛力及 2020 年至 2050 年期間的相應(yīng)工業(yè)成本曲線
隨著光伏在技術(shù)組合中所占比例和光伏面積安裝能力的增加，以及電解槽和 DAC 裝置效率的提高 ，全球電甲醇的理論發(fā)電潛力將從 2020 年的約 7000 萬噸增加到 2050 年的 1.7000 萬噸。如圖 4 所示，在 2030、2040 和 2050 年，前20 GtMeOH的生產(chǎn)成本分別為 600-680、390-430 和 315-350 歐元/tMeOH，可為全球電子甲醇供應(yīng)提供足夠的技術(shù)潛力。
3、樣本地點的成本分布
如圖 5 所示，2030 年，發(fā)電系統(tǒng)在電甲醇生產(chǎn)中所占的成本份額從每噸甲醇185 歐元到408 歐元不等。以光伏發(fā)電為主的地區(qū)，電甲醇的成本將增加 20-24 歐元/tMeOH。雖然光伏發(fā)電為主的地區(qū)供電成本最低，但這些地區(qū)的電解槽非能源成本卻最高，約為 130 歐元/tMeOH。
圖 5. 2030 年和 2050 年在選定地點的電甲醇成本分布
DAC 裝置的非能耗成本為 193-216 歐元/tMeOH，是電甲醇生產(chǎn)的第二大成本，到 2030 年，發(fā)熱和供熱系統(tǒng)的非能耗成本將使電甲醇的成本再增加 20-25 歐元/tMeOH。電甲醇生產(chǎn)成本的另一個主要來源是甲醇合成裝置，其成本為 71-81 歐元/tMeOH。到 2050 年，DAC 的非能源成本比 2030 年下降約 60%，在所有考慮的技術(shù)中降幅最大。從 2030 年到 2050 年，甲醇合成廠的成本在總成本中所占比例下降。2030 年的二氧化碳成本為每噸163-195 歐元。2020 年二氧化碳成本約為每噸甲醇 700 歐元或每噸二氧化碳 500 歐元。
4、整體效率和地區(qū)需求
2020 年，大多數(shù)地區(qū)電力-甲醇鏈的總體效率為 38-45%，到 2050 年將逐漸提高到 45-55%（圖 6）。這一增長是由于電解槽、DAC 和電池效率的提高。供電季節(jié)性較弱的地區(qū)總體效率相對較高。
圖 6. 2020年、2030年、2040年和2050年的電制甲醇整體效率
圖 7 顯示了 2030 年和 2050 年光伏-風能混合系統(tǒng)在每年供應(yīng) 100 萬噸電甲醇時的區(qū)域覆蓋情況。結(jié)果表明，在大多數(shù)地區(qū)，2030 年每年供應(yīng) 100 萬噸電甲醇時的光伏-風能覆蓋面積為 55-500 平方公里。在光伏和風能混合供電的地區(qū)，光伏和風能發(fā)電廠可將每年 100 萬噸電甲醇供應(yīng)的總覆蓋面積從約 200-350 平方公里減少到 150-270 平方公里。到 2050 年，在光伏發(fā)電為主的地區(qū)，每年 100 萬噸電甲醇供應(yīng)的覆蓋面積將降至 45-400 平方公里，原因是光伏發(fā)電安裝密度較高。到 2050 年，中歐地區(qū)的覆蓋面積降幅可達 50%。
圖 7. 2030 年和 2050 年每年 1 Mt 電甲醇供應(yīng)的混合光伏風力發(fā)電廠面積覆蓋率
5、靈活運行和平衡技術(shù)的相關(guān)性
電解槽、DAC和甲醇合成裝置的利用系數(shù)（ FLh）會極大地影響系統(tǒng)的總成本。如圖 8 所示，在以光伏為主的地區(qū)，電解槽的 FLh 在 2600-3200 小時之間。在光伏與風能混合供電的地區(qū)，電解槽的 FLh 在 2030 年達到 5000 小時，之后隨著光伏在供電中所占比例的增加，F(xiàn)Lh 在 2050 年降至 4000 小時以下。在風力資源豐富的地區(qū)，電解槽的 FLh 在 2030 年可達到 6000 小時。DAC 裝置的 FLh 為 7000-8000 小時，不受地區(qū)和年份的影響。2030 年甲醇合成裝置的 FLh 為 6700-7700 小時，略低于 DAC 裝置的 FLh。
圖 8. 2030年和2050年的直接空氣捕獲和甲醇裝置
與甲醇合成裝置的 FLh 相比，電解槽裝置的 FLh 較低，導致高峰時段氫氣產(chǎn)量過高。圖 9 中的結(jié)果顯示，為了平衡電解槽的氫氣供應(yīng)，在大多數(shù)以光伏發(fā)電為主的地區(qū)，所需的氫氣壓縮機容量為電解槽裝置容量的 55-70%。在一些以光伏發(fā)電為主的地區(qū)，由于光伏供電具有季節(jié)性，壓縮機與電解槽的容量比可能會超過 80%。
圖 9. 氫平衡技術(shù)的相關(guān)性
氫氣存儲系統(tǒng)的最佳規(guī)模受氫氣產(chǎn)生的季節(jié)性和可用的氫氣存儲方案的影響。儲氫系統(tǒng)的年吞吐量幾乎不受其規(guī)模的影響，而主要受電解槽 FLh 的影響。與鹽穴儲氫系統(tǒng)相比，增加地下管道系統(tǒng)的容量可以作為成本優(yōu)化方案的一部分，以提高儲氫系統(tǒng)的整體充放電容量。到 2050 年，更多地區(qū)將以光伏發(fā)電為主，電解槽 FLh 將降低，這將增加儲氫的作用。如圖 10 所示，在大多數(shù)地區(qū)，熱泵提供了電力轉(zhuǎn)化甲醇系統(tǒng)中 DAC 裝置熱量需求的 50-90%，其余 10-50% 由電熱水器提供。2030 年，高達 50% 的電解槽廢熱被用作熱泵的熱源，2050 年，電解槽產(chǎn)生的廢熱用作熱泵熱源的比例更高。2030 年，高達 35% 的高溫熱量在被 DAC 機組利用之前被儲存起來，到 2050 年，這一比例將下降 5-10 個百分點。二氧化碳平衡技術(shù)在電力-甲醇系統(tǒng)中的作用有限。
圖 10. 供熱和平衡技術(shù)的相關(guān)性
6、電甲醇與傳統(tǒng)甲醇生產(chǎn)成本比較
如圖 11 所示，在過去十年中，傳統(tǒng)甲醇的市場價格主要在 200-400 歐元/噸之間。研究結(jié)果表明，到 2040 年，電甲醇的生產(chǎn)成本可達到這一價格范圍，從而為甲醇生產(chǎn)的非化石化提供可能，而不會提高消費者的價格。
圖 11. 甲醇歷史歷史市場價格和成本對比
結(jié)果表明，在 2020 年，無論采用何種天然氣和二氧化碳排放價格組合，電甲醇在成本上都無法與基于天然氣的甲醇競爭。2030 年，當 NG 和 CO2 排放價格組合為 15.5 美元和每噸 CO2 50 歐元，或12 美元和每噸 CO2 100 歐元，或8 美元和每噸 CO2 150 歐元，或4.8 美元和每噸 CO2 200 歐元時，電甲醇可與傳統(tǒng)甲醇達到燃料平價。到2040年，電甲醇的價格超過11美元或3.5美元，每噸二氧化碳排放成本為零或100歐元可能具有成本競爭力，后一種情況更有可能出現(xiàn)。如果二氧化碳排放價格為每噸二氧化碳 150 歐元，那么到 2040 年，在任何天然氣價格下，電甲醇都將具有成本競爭力。到 2050 年，在不考慮二氧化碳排放價格的情況下，如果天然氣價格超過7.5 美元，或者在二氧化碳排放價格為每噸二氧化碳 150 歐元的情況下，天然氣價格低至每 MBtu 1 美元，電甲醇將具有競爭力。
7、電甲醇和電氨的潛在競爭和互補作用
電甲醇還可以與電氨作為遠距離海洋部門的潛在可持續(xù)燃料進行競爭。2020 年，在成本最低的地區(qū)，電甲醇的能源成本為 180-220 歐元/MWhMeOH,HHV，約為電子氨生產(chǎn)成本的兩倍。到 2050 年，電甲醇和電氨氣生產(chǎn)成本之間的差距將進一步縮小到每兆瓦時 HHV 10 歐元。電氨生產(chǎn)產(chǎn)生的余熱可用作電甲醇生產(chǎn)鏈中 DAC 裝置的熱源。2030 年每年 100 萬噸電甲醇和 100 萬噸電氨的聯(lián)合生產(chǎn)可將電甲醇的成本降低 20-40 歐元/tMeOH。在 2050 年，將年供應(yīng) 300 萬噸電甲醇的參考裝置與年供應(yīng) 100 萬噸氨的裝置相結(jié)合，由于每噸電甲醇的余熱供應(yīng)量較低，電甲醇的供應(yīng)成本僅會降低約 6-14 歐元/噸甲醇。到 2050 年，通過將綜合電甲醇裝置的年供應(yīng)量從 300 萬噸降低到 100 萬噸，從而提高每噸電甲醇的余熱供應(yīng)比例，與世界大部分地區(qū)每年單獨供應(yīng) 300 萬噸甲醇的系統(tǒng)相比，每噸甲醇的成本降低幅度將擴大到 2-18 歐元。
8、敏感性分析
與基本成本方案（BCS）相比，在大多數(shù)地區(qū)，加權(quán)平均資本成本±2 個百分點的偏差對電子甲醇生產(chǎn)成本的影響為 13-15%。加權(quán)平均資本成本的變化對總成本的影響在組件壽命較長的系統(tǒng)中相對較大。與 BCS 相比，在高成本情景(HCS)下，電解槽的資本支出和固定支出在 2020 年增加了 31%，2030、2040 和 2050 年的資本支出分別增加 56%、59% 和 60%。到 2030 年，HCS 將使電甲醇生產(chǎn)成本每噸甲醇增加 190-260 歐元。受影響最小的地區(qū)是那些 DAC FLh 較高和 LCOE 較低的地區(qū)。2050 年，HCS DAC 將使電子甲醇的生產(chǎn)成本每噸甲醇增加 10-40 歐元。
結(jié)論
結(jié)果表明，到 2030 年，除巴塔哥尼亞、北歐、西歐和美國北部外，全球大部分地區(qū)的供電成本優(yōu)化配置將主要以光伏發(fā)電為主。如果加權(quán)平均資本成本為 7%，2020 年在最佳地點生產(chǎn)電子甲醇的最低成本為 1200-1500 歐元/tMeOH，大大高于過去十年 200-400 歐元/tMeOH的平均市場價格。2020 年代電甲醇的成本受到早期 DAC 高成本的嚴重影響。到 2030 年，最佳地區(qū)的電甲醇生產(chǎn)成本將降至 600-680 歐元/噸甲醇，這在各大洲都可以實現(xiàn)，并接近近年來歐洲甲醇市場的最高價格。到 2040 年，電甲醇生產(chǎn)成本將降至 390-430 歐元/噸甲醇，其中阿塔卡馬沙漠是全球成本最低的地區(qū)。到 2050 年，各大洲的生產(chǎn)成本將降至 315-350 歐元/tMeOH，這使得電甲醇的生產(chǎn)成本遠在目前的市場價格范圍內(nèi)，但高于在沒有任何二氧化碳定價的情況下，天然氣價格低于 7.5 美元/MBtu時的天然氣甲醇生產(chǎn)成本。電甲醇的能源成本仍然高于電氨，但到 2050 年，這一差距將縮小到每兆瓦時 HHV 約 10 歐元。2030 年，電甲醇和電氨工廠整合后的余熱利用也可將電甲醇的成本降低 20-40 歐元/tMeOH，具體取決于電甲醇和電氨的地點和供應(yīng)比例。到 2050 年，系統(tǒng)集成的效益將下降到每噸甲醇 2-18 歐元，僅占電子甲醇裝置成本的 0.5%。敏感性分析表明，2030 年的電甲醇生產(chǎn)成本主要受空氣直接捕集技術(shù)發(fā)展速度放緩的影響，其次是地區(qū)加權(quán)平均資本成本，以及電解槽成本增加。到 2040 年，電甲醇的規(guī)?；a(chǎn)將具有成本效益，從而使其成為化工行業(yè)化石能源化的關(guān)鍵原料。
