通过太阳能驱动的蒸汽电解技术，以低成本实现电力和甲醇的净负碳联产，并显著提高合成气向甲醇的转化效率

《Renewable Energy》：Low-cost, net-negative carbon coproduction of electricity and methanol via solar-driven steam electrolysis with enhanced syngas-to-methanol conversion

钙循环储热耦合太阳能驱动固态氧化物电解制氢与甲醇合成系统，实现净负碳排放（-0.036 t CO?/t CH?OH）和57.34%整体能效，较传统工艺增产8.52%、节能21.07%，甲醇平准化成本346.96美元/吨，电价160.50美元/MWh。

　　

王志辉|聂斌健|陈启成|何楠|姚亮|杨宇

东北电力大学能源与动力工程学院，吉林，132012，中国

摘要：

将甲醇合成集成到聚光太阳能（CSP）系统中可以实现电力和燃料的高效联产，但现有的联产系统在成本和碳排放之间难以取得平衡。本研究提出了一种新型系统，该系统利用钙循环（CaL）储存的热量和多余的电力将太阳能与可再生电力结合。采用非传统原料摩尔比的太阳能驱动双重整工艺提高了合成气生产过程中的甲烷转化率。CaL驱动的固体氧化物蒸汽电解技术促进了合成气向甲醇的转化。这些措施共同解决了低成本燃料生产、碳中和和高能源效率的挑战。该系统的甲醇生产能力达到191.84吨/小时，每吨甲醇的净二氧化碳排放量为-0.036吨，整体能源效率为57.34%。与基于合成气的甲醇合成工艺相比，产量提高了8.52%，能源效率提高了21.07%。能量分析表明，定日镜阵列（效率49.88%）和固体氧化物电解槽（效率68.77%）是主要的能量损失部件。经济分析显示，考虑到可再生电力价格的变化，电力的平准化成本低至160.50美元/兆瓦时，甲醇的平准化成本为346.96美元/吨。所提出的系统为可持续的清洁能源生产提供了前景。

引言

将甲醇合成工艺集成到聚光太阳能（CSP）系统中，为实现电力和燃料的高效联产提供了一种先进的解决方案。除了产生清洁能源[1]外，这项技术还利用甲醇（CH₃OH）作为能量载体，实现了长期能源存储[2]，从而促进了零碳能源系统的发展。

对于可持续发展而言，低成本燃料供应和碳中和这两个目标至关重要。甲醇被称为“液态阳光”，具有高体积能量密度[3]和清洁燃烧特性[4]。尽管具有这些优点，现有的电力-甲醇联产系统在平衡成本效益和减少碳排放方面仍面临关键挑战。目前，工业甲醇市场主要由合成气间接合成技术主导，这种技术因其成本竞争力而受到青睐（即341.95美元/吨CH₃OH[5]）。然而，其对化石燃料的严重依赖导致了大量的二氧化碳排放[6]。基于生物质气化的联产系统可以实现类似的甲醇平准化成本（LCOM）。Bai等人[7]报告的LCOM为361.88美元/吨CH₃OH，但实现零碳排放仍是一个巨大的挑战。相比之下，新兴的联产系统采用直接甲醇合成路线，通过二氧化碳氢化，并结合碳捕获和利用技术来实现接近零的碳排放[8]并实现碳循环[9]。然而，利用可再生电力驱动的水电解法生产氢气的成本较高，限制了这种直接方法的应用。据报道，使用碱性电解（ALKE）和质子交换膜电解（PEME）的电力-甲醇联产系统的LCOM分别为730美元/吨CH₃OH[10]和442.38美元/吨CH₃OH[11]。近年来，采用混合甲醇合成路线的联产系统受到了越来越多的研究关注，因为它结合了直接和间接路线的优点。这种混合方法可以通过将水电解产生的氢气与气化或重整反应生成的合成气混合，灵活调整H₂/CO的摩尔比。甲醇的产量对H₂/（CO+CO₂）比率[12]或（H₂-CO₂）/（CO+CO₂）比率[13]敏感。具体来说，甲醇合成的化学计量最优条件对应于在低CO₂浓度下的H₂/CO摩尔比为2:1。最近研究中报道的联产系统的性能指标总结在表1中。

包括ALKE、PEME和固体氧化物蒸汽电解（SOSE）在内的可再生电解氢生产技术，有潜力在电力-甲醇联产系统中实现碳中和燃料生产。值得注意的是，不同生产配置下的LCOM差异很大。正如Taslimi等人[20]所报告的，电解器的类型决定了甲醇生产的成本。与ALKE和PEME相比，SOSE辅助的联产系统在平衡甲醇成本和二氧化碳排放方面表现出更优的性能。SOSE是指通过固体氧化物电解槽（SOEC）将蒸汽转化为氢气和氧气（H₂和O₂）。SOSE高温运行所需的能量部分由热能来源提供，如废热或太阳能[21]。因此，SOSE辅助的联产系统实现了更高的能源效率，如表1所示。在Meng等人的研究[16]中，90.48%的二氧化碳排放（0.63吨CO₂/吨CH₃OH）来自燃煤发电过程。尽管CSP和固体氧化物电解器的结合已被证明可以有效减少氢生产的碳足迹[22]，但其高昂的成本削弱了其可行性。Feili等人[23]进一步提出了一种环保的沼气燃料电力-甲醇联产系统，结合了S-Graz循环，消除了发电过程中的间接碳排放。然而，在上述研究中，尚未同时实现低成本燃料合成、碳中和和高能源效率。

受先前研究的启发，本研究展示了一种可持续的电力-甲醇联产系统的发展路径，旨在实现净零碳排放和低成本燃料。该系统通过集成钙循环进行热能存储，实现了太阳能和可再生电力的高效多能源利用。具体来说，钙循环为发电和燃料合成过程提供了连续的热能供应。采用太阳能腔接收器，通过非传统的反应物摩尔比进行双重整反应生成合成气，以提高甲烷转化率。同时，CaL驱动的SOSE促进了合成气向甲醇的转化，进一步提高了系统的整体能源效率。这两种关键措施的结合旨在解决低成本燃料生产、碳中和和高能源效率的同时挑战。

为了全面评估所提出系统的性能，进行了能源、能量和经济学分析。优化了SOSE的操作参数（包括温度、压力和阴极/阳极进料比），以研究它们对能量存储、发电、甲醇合成和系统整体性能的影响。此外，量化了主要组件的能量损失和效率，并在考虑碳税和可再生电力价格变化的情况下计算了电力和甲醇的平准化成本。

系统描述

本研究提出了一种太阳能驱动的SOSE辅助系统，用于联产电力和甲醇，命名为SD-SOSE-CPEM。如图1所示，该系统包括三个子系统：CSP-CaL、SOSE和甲醇合成。CSP-CaL子系统提供的能量部分加热了SOSE子系统中的H₂O流。通过蒸汽电解产生的氢气与来自甲烷双重整的合成气混合，以调整H₂/CO比率，从而提高甲醇合成产量。

模型验证

图5展示了电化学和甲醇合成动力学模型的验证结果。SOSE的模拟值与Schefold等人[33]的实验结果之间的误差在±1.69%以内。值得注意的是，当电流密度超过4000 A/m²时，两组结果表现出极好的一致性。甲醇合成动力学模型在250°C和30至110巴的压力范围内得到了验证。本研究的模拟结果误差在±0.63%以内

结论

本研究提出了一种太阳能驱动的电力-甲醇联产系统，结论如下：在能源效率和碳排放性能方面，SOSE子系统的能源效率为74.03%。具体来说，蒸汽电解辅助的甲醇合成有效提高了甲醇产量8.52%，达到191.84吨/小时。值得注意的是，该子系统实现了负碳排放，每吨甲醇产生-0.036吨二氧化碳。整个系统的效率

利益冲突声明

没有需要声明的利益冲突。

CRediT作者贡献声明

王志辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，研究。 聂斌健：可视化，监督，软件，形式分析，概念化。 姚亮：可视化，软件，资源，形式分析。 杨宇：验证，资源，研究，形式分析。 陈启成：撰写 – 审稿与编辑，资源，项目管理，资金获取，概念化。 何楠：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源，

未引用参考文献

[10], [32]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52222603）的支持。