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e-甲烷——难电气化工业脱碳的更可行路径，对比绿色甲醇和绿氨

发布：2024-07-08 | 浏览：504
导读：世界上唯一持续运行的商业化的Power to X工厂，耦合可再生能源制氢的（非8000小时连续运行），不是氨，不是甲醇，不是航煤，是一家e-甲烷工厂，从2013年一直运行到现在。惊讶么？

Power to X，即电解水制氢，氢通过和N2或者CO2合成氨或者碳氢化合物做为燃料或者原料，也翻译作电力多元转换，简写PtX或者P2X。

X一般被称作电子燃料，e-fuel，比如e-甲醇，e-氨，e-航煤。

 

电解水制氢的发展的初衷之一，是将转瞬即逝、生产和使用地域不匹配的绿色电子，转化为易于存储的绿色分子，不受地域限制的输送到到每个工业用户。但是氢的大规模存储、集输和分销，受制于其物理特性，是不可解决的问题（大规模）。

Power to X的发展源动力有两个层面：
1-能源维度，接力氢分子，通过绿氢与CO2或氮气合成碳氢或者氮氢燃料（绿色甲醇、绿氨），输送给能源化应用端
2-原料维度，氢是氨和甲醇生产的原料，给氨/化肥和甲醇/烯烃工业脱碳
本文仅探讨“能源化”应用，那么既然是能源，首先想到的一定是甲烷（天然气的主要成分），而不是甲醇和氨（传统化工大宗品）。事实上，“电-氢+CO2甲烷化“，即是Power to Gas的最初设想（2000年初），Gas就是“氢+CO2甲烷化”获得的电子甲烷e-甲烷，而不是氢；Power to X，Power to Fuel，Power to Liquid，一切概念都是从最初的电转甲烷Power to Gas衍生而来。
将绿氢转化为e-甲烷的好处是，

  • 利用现有强大的天然气管网和储气设施，实用性强，扩展性强

  • 利用天然气本身的能源属性（易消纳），可用于多个难以减排的行业，比如钢铁、玻璃、造纸、海运等

  • 天然气管道的互联互通性和容量远大于电力输送

  • 无需对储输用三方面的基础设施进行重大改造或新建，更符合3060达峰和中和的脱碳时间表，更快更可行

  • 绿色和安全兼顾——我国天然气对外依存度高达40%以上。

e-甲烷的市场是巨大的。全球天然气市场4万亿立方米，占全球碳排放量的14.5%，能量相当于40万亿千瓦时。仅仅替代5%的化石天然气，即2400亿立方米，需要的投资将高达3万亿人民币！
截至2022年底，全球甲醇总产能达1.89亿吨，能量仅仅1万亿千瓦时，是天然气市场的四十分之一！
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为何目前的立项都是绿氢合成甲醇和氨，却没有绿氢合成甲烷呢？主要是市场和投资方对“甲烷”存在误解。

误区一：甲醇比甲烷更有经济性

不要认为e-甲烷对标化石天然气就比e-甲醇的经济性差——探讨能源，“苹果对比苹果”，恰恰应该都对比同一个化石燃料。

如果e-甲烷需要对比化石天然气，那么e-甲醇也需要对比化石天然气。

如果e-甲醇值得做，e-甲烷也值得做。

思考一下最近甲醇比较颓的原因，再审视一下马士基从去年到现在的动作，会更清晰：

2024/01，马士基和赫伯罗特Hapag-Lloyd签署了一项名为“Gemini Cooperation”的新长期运营合作协议，新合作将包括一个由约290艘船舶组成的船队，总容量为340万个集装箱（TEU）。赫伯罗特也是LNG动力船的支持者。

2024：赫伯罗特Hapag-Lloy正在研究开发电子甲烷e-甲烷项目

2024/06 The Maritime Executive 马士基麦金尼莫勒中心Maersk Mc-Kinney Moller Center：在长达一年的研究后总结“我们发现，通过沼气提纯生物天然气和液化来制造LBM (liquified biomethane) 是考虑到的最便宜的选择”

2024/06 漫航观察网，传闻马士基正与集装箱船舶租赁商洽谈租赁一系列 LNG双燃料新造船。此举背后的考量以及潜在影响值得业界深入探讨。

其实早在2023年我们就提出过警示：2023年9月，马士基与达飞达联手加速航运业脱碳，达飞订购了大量LNG动力船舶，曾提出LNG做为过度燃料并遭到马士基否定。

2024：达飞和能源公司ENGIE正在研究一项重要的合作伙伴关系，基于e-甲烷生态系统

一系列的事件，背后的原因都是化石LNG便宜了——即，化石LNG既是e-甲烷的对手，更是e-甲醇的对手，他们都应该对比化石LNG。

再来看看马士基承购的4000元/吨的绿色甲醇有多贵？其实在绿色燃料里，包括生物燃料，4000一吨的甲醇不算贵，但为何船东会青睐生物柴油，这个不在本文探讨范围内；这也凸显了依赖外部市场的绿色甲醇的重大不确定性。

4000元/吨甲醇=0.2元/兆焦=0.72元/kWh

7元/方生物甲烷=0.194元/兆焦=0.7元/kWh

2800元/吨甲醇=0.139元/兆焦=0.5元/kWh

5元/方生物甲烷 =0.139元/兆焦=0.5元/kWh

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目前化石LNG价格等热值比低硫燃料油还要便宜，LNG动力船舶碳排放更低，中期内不需要缴碳税。Otto dual fuel slow speed满足FuelEU Maritime 2030-2034年的减排目标，Diesel dual fuel slow speed满足2035-2039年的减排目。欧洲LNG市场价已经一年多维持在合理水平上了，这也吻合2023年马士基开始布局LNG船舶船队。

1-船公司怎么选？会用因为甲醇是化工品，就选择甲醇，而不选择LNG么？

2-假设电子甲烷和电子甲醇的热值成本一致，而且用户有高温工业热需要脱碳，他会因为甲醇是化工品就选择甲醇，而放着厂里的燃气窑炉不用，改造一个甲醇窑炉么？

从燃料的角度看，电子甲醇值得做，电子甲烷就值得做。电子甲烷比电子甲醇更受欢迎，可以称作真正的drop-in-fuel——除非应用端是“原料”属性，化工甲醇的下游，比如烯烃、甲醛等等。

误区二：甲醇合成耗氢比甲烷合成低，能效更高

CO2+4H2→ CH4+2H2O

CO2+3H2→ CH3OH+H2O

根据方程式，1摩尔甲醇只需要3摩尔氢，而1摩尔甲烷需要4摩尔氢，所以甲烷没有经济性，浪费氢——事实上1摩尔甲烷的热值也比甲醇高得多。

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如上图，合成甲醇的理论能效是比合成甲烷略高，但是：

  • 合成甲醇：在250oC/3.5MPa压力，只有12%的收率；单程收率低，需要循环，反应工艺复杂，能耗高。

  • 合成甲烷：在非常宽的温度和压力范围内热力学平衡都可达到95%以上，常温常压（生物法，高温高压（化学法）均可。

  • 净结果是甲醇合成的理论能效优势消失。

无论是模拟还是现实项目，都显示合成甲烷的综合能效是不低于甚至略高于合成甲醇的（考虑注入管网或者液化LNG）。

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模拟A：Frank E , Gorre J , Ruoss F ,et al.Calculation and analysis of efficiencies and annual performances of Power-to-Gas systems[J].Applied Energy, 2018, 218(MAY15):217-231.DOI:10.1016/j.apenergy.2018.02.105.

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模拟D：Cui X , Kr S K , Nielsen M P .Energy analysis and surrogate modeling for the green methanol production under dynamic operating conditions[J].Fuel, 2022, 307:121924-.DOI:10.1016/j.fuel.2021.121924.图片

文献B Inkeri E,et al. Significance of methanation reactor dynamics on the annual efficiency of power-to-gas -system[J].  2021文献C  Morosanu E A, et al. Process Modeling of an Innovative Power to LNG Demonstration Plant[J].Energy & Fuels, 2018
误区三：液态甲醇比甲烷储运成本低很多
液态的甲醇在储运方面一定是优于甲烷的，只是优势不明显。甲烷的压缩和液化能耗很低，大型液化能耗可以低至0.25kWh/kg，即产品热值的1.8%；mini型的液化，也可低至0.7kWh/kg，即产品热值的5%。
首先看看储，对于大规模甲烷的地下存储的成本几乎可以忽略不计。每1立方米天然气一次性投资2-4元就可以存储在地下，而储气库寿命可达50年！每年充放10次，生命周期内每方天然气的成本大致为2-4分钱；即便每年只充放1次，生命周期内每方天然气的成本也仅2-4毛钱！地下甲烷不像氢的地下存储，后者依赖于适合的盐穴地址，甲烷/天然气的地下储气地质条件非常易得，比如枯竭油气田。而且同样的地下腔体体积，储甲烷的能量比氢高一个数量级（体积能量密度高）。
进一步，看看用这种方式进行季节性储能：
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可以看出，从1小时到1000小时的储能时长，压缩空气储能的度电成本从不到5毛逐渐线性升高到接近3元/度；盐穴储氢储能，度电成本缓慢上涨；而地下储e-甲烷，成本几乎不随时长变化——其实是在极度缓慢的增长，缓慢到可以忽略——即地下储甲烷的成本即便在千小时存储周期下，也可以忽略不计。
最后说运输，
陆路方面，LNG为0.45-0.6元/吨/公里，甲醇0.25左右吨公里成本，氨0.35；而热值方面，每吨LNG的热值是甲醇的2.5倍，是液氨的2.67倍。LNG的陆路运输成本堪比液态甲醇。
管道方面，天然气管输含税收费情况是0.1487-0.3824元/千方/公里，即0.015-0.038元/kWh/1000公里；纯氢管道 6.5元/kg/2000公里（纯成本，不含税和利润，8000小时利用率），即0.098元/kWh/1000公里，是天然气的7倍。
综合来看，液态甲烷LNG的储运比甲醇并没有多少劣势；气态甲烷在管输和地下储气库的帮助下，已经低到了可忽略的程度。

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终局大pk：电子甲烷、甲醇和氨成本对比
  • 甲烷合成：根据合成气CO+H2甲烷化1亿方甲烷产能的等温反应器（含安装土建土地）造价为10000万元，折合1400元/吨/年产能，对于CO2+H2甲烷化采用2倍成本，则2,800元/吨/年；50万吨电厂CO2捕集总投资3.85亿元，1吨甲烷需要2.8吨CO2，则CO2捕集投资折合2,156元/吨甲烷——含碳捕集甲烷化投资为4,956元/吨。1吨甲烷/年对应1.73kW甲烷，折合2,864元/kW产品；碳捕集/甲烷化约各占50%
  • 氨合成：根据近年来内蒙绿氨备案环评等信息，10万吨级别的合成氨含空分投资在3000元/吨/年。1吨氨/年对应0.65kW/年，折合4,615元/kW产品
  • 甲醇合成：根据调研，10万吨甲醇合成+精馏，大概2.4亿，折合2400元/吨/年产能；50万吨电厂CO2捕集总投资3.85亿元，1吨甲醇需要1.4吨CO2，则CO2捕集投资折合1,078元/吨甲醇——含碳捕集甲醇投资为3,478元/吨。1吨甲醇/年对应0.7kW，折合4,968元/kW产品；碳捕集/甲醇合成精馏占比30%/70%   
  • 能效接近，投资接近，那么最终单位热值产品的成本也接近。

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做为燃料（而不是原料），在CO2不太贵的情况下（非空气捕捉），三者的热值成本没有明显区别，甚至合成甲烷还可能有一定的优势。
然而，电子燃料在目前2毛多甚至更高的电解水使用电价下，以e-甲醇为例需要3000-4000元/吨的生产成本（不计CO2成本）。
如果不考虑甲醇船，国内历史上从来没有甲醇以这么高的价格被卖掉过；相反，对应的e-甲烷的生产成本为5-7元/方，去问问天然气用户，加气站司机，很多都经历过如此高的价格，起码历史上天然气曾经卖过这么贵的价格。
扩展一下，烯烃除了用绿色甲醇，还有其它方式大幅度脱碳么？没有，所以，甲醇的方向恐怕不是能源化，而是化工原料。同理，航空，除了用绿色航煤，有其它办法么？没有（电动和氢飞机都没有前途，不赘述）——也许甲醇制航煤（副产汽柴油），可以间接的实现甲醇能源化。氨，除了绿氢+氮气，还有任何其它方式合成么？没有，所有，绿氨项目常青。
e-甲烷与氨和甲醇相比，生产成本接近，储运便捷，消纳灵活，能源属性强——那么，电子氨和电子甲醇都热过了，步入冷静期，现在您不打算投资一个e-甲烷技术初创公司？欢迎联系本公号（电致清然公司）。

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