近零排放P2X多联产系统的热经济性分析：氢、氨和甲醇协同生产的新路径

为解决传统能源系统高碳排放和低效率问题，研究人员开展了一项关于P2X（Power-to-X）多联产系统的热经济性分析。该研究集成空气分离单元（ASU）、直接氧燃烧器（DOC）、超临界CO2（sCO2）循环、水电解槽（WE）、哈伯-博施工艺（HBP）和甲醇生产单元（MPU），实现了56%的系统效率，并将氢成本降至0.80美元/千克。这一成果为工业脱碳和大规模能源基础设施部署提供了可行方案。

　　

在全球能源转型的背景下，传统化石燃料系统的高碳排放和间歇性可再生能源的整合难题成为制约可持续发展的关键瓶颈。尤其对于氢能（H₂）、氨（NH₃）和甲醇（CH₃OH）这些关键能源载体，其生产过程中依赖蒸汽甲烷重整（SMR）等碳密集型工艺，导致每千克氢气的生命周期排放高达10-15千克CO₂。与此同时，国际能源署（IEA）数据显示，当前氢能需求中仅有0.1%来自绿氢（通过可再生能源电解水制备），凸显了清洁生产技术创新的紧迫性。

针对这一挑战，卡塔尔大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了一项突破性研究。该工作设计了一种创新的P2X（Power-to-X）多联产系统，通过热力学优化和子系统协同，实现了氢、氨、甲醇的近零排放联产。系统核心在于将直接氧燃烧（DOC）超临界CO₂（sCO₂）循环与电解制氢、哈伯-博施（Haber-Bosch, HBP）合成、甲醇催化转化等单元深度耦合，形成资源闭环。研究采用Aspen HYSYS/V14.2进行稳态流程模拟，结合热力学第一/第二定律分析，评估了四种渐进式配置（S1-S4）的性能。关键创新点包括：电解副产氧回用于DOC减少空分负荷、sCO₂循环废热驱动合成反应、CO₂原位转化为甲醇等。

研究方法上，团队首先构建了包含ASU、DOC-sCO₂、WE、HBP和MPU的集成模型，通过质量/能量/?平衡方程量化系统性能。特别采用燃料-产物-损失?分析法评估各组件效率，并引入平准化成本（LCOH/LCOE）指标进行经济性比较。基准参数设定参照工业实际，如sCO₂循环压力250bar、电解槽效率35.81kWh/kg_H2等。

研究结果部分，配置S4（全集成系统）展现出卓越性能：

1. 能源效率突破：系统整体效率达56%，较基准配置（S1）提升11个百分点。sCO₂循环的紧凑设计贡献显著，其热效率达58%，远超传统朗肯循环。
2. 成本优势显著：电解氧的循环利用使氢成本降至0.80美元/千克，较独立电解系统降低53%；平准化电力成本（LCOE）为3.30美分/千瓦时，具备商业竞争力。
3. 碳减排突出：CO₂排放强度降至145g/MWe，减排率达94%，主要归功于DOC的纯氧燃烧特性与CO₂-甲醇转化路径。
4. 多产品协同：每日可联产4吨氢、15吨氨和12吨甲醇，氮气（N₂）来自ASU、氢气（H₂）源自电解，实现物料内循环。

讨论部分指出，该系统的核心价值在于解决了三个行业痛点：

1. 氧资源优化：电解槽副产氧满足DOC需求的11.23%，降低空分单元（ASU）20%的能耗；
2. 碳闭环构建：捕获的CO₂通过加氢（CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O）转化为甲醇，碳利用率达89%；
3. 动态响应能力：通过调节sCO₂循环负荷（200-300bar可变压力）适应可再生能源波动，为电网调频提供灵活性。

这项研究为化石能源富集地区提供了一条可行的脱碳路径，其多联产架构尤其适合中东等兼具天然气资源和可再生能源潜力的区域。未来研究需关注电解槽/PEM（质子交换膜）的瞬态响应特性，以及sCO₂-HBP（哈伯-博施工艺）的热耦合优化。该成果的产业化将推动氢能经济从"灰氢"向"蓝氢-绿氢"混合模式过渡，加速《巴黎协定》目标的实现。