光热+氢能 追梦“终极能源”

:超临界二氧化碳布雷顿热发电是当代能源领域待突破的前沿技术，该技术一旦大规模应用将改变世界能源的利用方式，特别是采用半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电技术，在使用化石能源如天然气、煤制气、煤层气，或生物质气如填埋气、沼气等与氧气混合发电过程中可全部回收二氧化碳，最终实现零碳排放发电。客观说，该技术对减少大气二氧化碳排放和改变温室效应具有重大意义。如采用可再生能源如风能、太阳能制取氢气，并同二氧化碳加氢甲烷化技术嫁接，不仅可以解决风能、太阳能不可控、不稳定、不连续的问题，而且可实现可再生能源循环发电，意义非凡。

本文浅要介绍了纯氧燃烧超临界二氧化碳热发电和二氧化碳加氢甲烷化技术，最主要的是探讨光热发电与纯氧燃烧超临界二氧化碳发电技术的结合，也即与氢能的结合，或许这一结合可以使光热发电大放异彩。

一、CO2 加氢甲烷化

CO2 加氢甲烷化反应是由法国化学家保罗·萨巴蒂埃(Paul Sabatier ) 在 1902 年提出，之后他又提出利用太阳能制氢和 CO2 催化加氢反应生成甲烷 CH4 ，再作为能源消耗再次生成 CO2循环利用的设想。

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

他所提出的设想其实就是用可再生能源电力电解水制氢，再通过二氧化碳加氢甲烷化来实现可再生能源与氢能的高度融合。特别是作为燃料存储甲烷气，和光热发电存储热能用于热发电有异曲同工之妙。上世纪末日本专家拟践行法国科学家保罗·萨巴蒂埃的甲烷循环发电技术，主张利用纯氧混合燃烧甲烷技术驱动燃气发电设备发电，产生的二氧化碳加氢甲烷化再制取甲烷，如此循环往复实现用可再生能源无碳排放发电。他们根据该设想曾提出建立“全球二氧化碳循环策略系统”，日本东北大学为此专门做过简单的循环实验，以验证该理论(图 1 所示)。但是该设想历经百年，真正为此探索的工程性试验项目鲜有实施。其中遇到的最主要的问题是二氧化碳如何获得，这已然成为一个难解课题。目前从燃气发电或燃煤发电排气中进行碳捕获即 CCS 技术的成本依然很高，因此制约着二氧化碳甲烷化技术的推广。我国在煤制气直接二氧化碳加氢反应制取甲烷、甲醇技术已经工业化，所需氧气通过空分机组获得，因此推广二氧化碳加氢甲烷化技术并不是一件难事。

图 1、图为日本东北大学 1996 年搭建的太阳能电解制氢制甲烷纯氧燃烧循环试验装置。

二、半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电

布雷顿循环与朗肯循环不同，它可以分为开式、闭式和半闭式三种运行模式。开式布雷顿循环如航空燃气发动机、发电用的燃气轮机;其次是闭式布雷顿循环，使用体外热源驱动布雷顿循环机组运行，由于没有了将水转化蒸汽的热能损失，因此热循环效率远高于朗肯蒸汽循环。目前美国正在实施的 SunShot 计划正在为第三代太阳能热发电技术使用该技术进行前期开发，预计2020 年 10 兆瓦机组将投入运行;在欧盟支持下，法国电力、德国西门子等企业也加大研发力度;我国包括中科院工程热物理所和西安热工研究院等已经取得阶段性研究成果;再次就是半闭式布雷顿循环，美国专利 US3134228 和 US37367452(如图 2 所示)较早揭示半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电技术，发明人为美国海军部的科学家，其开发的应用场景均为潜艇，为尽快实现产业化，美国政府准许美国企业免费使用该技术。

半闭式超临界二氧化碳纯氧燃气布雷顿热发电技术在我国煤制气和煤转化汽油技术中有所提及，但热能领域给予的关注度比较低。

图 2、美国专利 US3736745 附图

自从国际社会倡导减少燃煤或燃气电厂二氧化碳和氮氧化物排放以来，零排放纯氧燃气发电技术也即半闭式超临界二氧化碳布雷顿燃气热发电技术得到进一步开发，例如奥地利格拉茨理工大学提出的“格拉茨循环”模式(图 3)，美国清洁能源公司 CES 提出的 DSG 模 式(图 4)，相同点都力求将半闭式超临界二氧化碳布雷顿循环和蒸汽朗肯循环发电加以结合，拟实现高达 70%的热循环效率，虽然这些技术都进行过小规模验证，但商业开发未获进展。近期美国八河流公司声称采用“阿拉姆循环”模式可实现零排放燃气发电(图 5)，目前一个规模为 25 兆瓦的中试项目已在美国德克萨斯州拉博德市建立。据说 2020 年运行，该电站收集的二氧化碳主要用于附近油田加注，以提高和延长油井寿命。2018 年初美国麻省理工学院将该技术列为年度十大发明之一，认为该技术有可能改变世界能源格局。特别值得关注的是该企业相关专利已在我国获授权。

所谓半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电技术的主要特点在于动力热源引入空气或纯氧作助燃剂，与天然气混合燃烧，同时选择超临界二氧化碳气做动力介质，因系统运行温度高，发电效率可提升至58%;最突出的特点是排出物不含氮氧化物，只有水和二氧化碳，而且经汽水分离可全部回收并加以利用。如果采用联合朗肯循环热效率可达 70%以上。

图 3、“格拉茨循环”纯氧燃烧原理图

图 4、CES 循环纯氧燃烧原理图

图 5、阿拉姆循环纯氧燃烧示意图

三、可再生能源与氢结合，追梦“终极能源”

可再生能源与氢能结合的最佳途径就是通过风电或太阳能发电电解水制取氢气，但氢气不宜存储和运输，如果实时将其制成甲烷或甲醇，就可以采用常规技术储运，或通过燃气发电直接通过电网传输电力。因此，结合半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电技术为二氧化碳加氢甲烷化提供可靠的碳源，将二氧化碳加氢甲烷化制备并存储，电解水制氢产出的氧气则与甲烷气以及补热加压后的二氧化碳气混合燃烧，驱动半闭式布雷顿机组持续发电，最终实现可再生能源零碳排放循环发电。

光热发电与半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电技术结合具有先天优势，光热发电通过规模热储能可向电网提供稳定电力，一旦将波动性较大的风电和光伏发电用于制氢，或通过电制热规模化存储，即可实现光热发电人工可控、可管理、可干预的连续发电 。

根据光热发电聚光模式与半闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电结合有两种选择：

1、借助塔式悬浮粒子的高温特性(温度须在 700 度以上)，结合半闭式超临界二氧化碳布雷顿纯氧燃气发电优势，利用太阳能和风能电解制氢，借助二氧化碳加氢甲烷化储能，即可开辟光热发电储能新途径。该设想拟在光照条件好时采用塔式悬浮粒子电站获得的高温热能驱动闭式超临界二氧化碳布雷顿循环发电，在光照条件不好或无光照是时则采用纯氧燃气半闭式超临界二氧化碳发电进行循环，分离出的二氧化碳与氢结合进行甲烷化制备，分离出的水做镜场定日镜清洗用水。如图 6 所示：

图 6、塔式悬浮粒子电站与纯氧燃气布雷顿热发电互补示意图

塔式悬浮粒子光热发电与半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电进行互补，同时联合风电等电解水制氢， 辅之二氧化碳加氢甲烷化制备，甲烷纯氧燃烧混合超临界二氧化碳循环热发电，或可开辟光热发电储能新纪元。

2、槽式太阳能热发电技术是目前最为成熟的光热发电技术，如将槽式太阳能热发电技术有机嫁接在半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统中(图 7)，通过互补储热循环发电以规避太阳能热发电不稳定不连续的先天缺陷，同时利用纯氧燃气发电产生的水进行电解制氢制氧，汽水分离出的二氧化碳除用作动力工质外，其余部分进行加氢甲烷化制备，并将制备的甲烷气进行存储，而利用可再生能源电解水制氢获得的氧气用于系统自身的纯氧燃气布雷顿高效发电;系统冷凝产生的水和加氢甲烷化产生的水存储之后将直接提供给槽式太阳能热发电系统作蒸汽朗肯循环发电使用，多余的水作清洗聚光镜用水。据国外测算，不含甲烷制备产生的水，仅 550 兆瓦电站就可产生 1.8 亿加仑水，由此可能导致光热发电站站址选择将不再受水源地限制。

显然，接收风电、光伏电力进行电解水制氢是一种高效的储能方式，特别是通过燃气与光热发电互补，可有效增加光热发电时数，提高光热转换效率，增强光热发电技术的环境适应能力，降低单位发电成本，提升光热发电站参与电网调频调峰能力。

图 7、槽式太阳能与风能和燃气互补制氢制甲烷循环热发电示意图

总之，当人们把目光聚焦在氢能的开发和利用时，氢能几乎成了“终极能源”的代名词，其实，氢能和电能一样属于二次能源，只有将可再生能源与氢能有机结合，才能最终展现其“终极能源”的魅力。