基于超临界二氧化碳循环的太阳能替代天然气(SNG)创新系统：能量、?与经济(3E)分析

为解决可再生能源并网不稳定及化石能源依赖问题，研究人员开发了集成太阳能塔、SCO2循环、PEM电解与Sabatier反应的绿色SNG生产系统。研究表明，该系统年转化CO229.4千吨，SNG?效率达36.9%，LCOE为68.9/MWh，结合税收优惠可降至37.1/MWh，为碳中和能源转型提供技术经济可行性方案。

　　

全球能源需求激增与化石燃料主导（占比76.5%）带来的环境问题，迫使人类寻求可再生能源解决方案。然而，风能、太阳能的间歇性特性导致电网波动，而氢能源又面临储存安全与基础设施缺失的困境。在此背景下，沙特阿拉伯伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（Imam Mohammad Ibn Saud Islamic University, IMSIU）的研究团队创新性地提出将太阳能转化为更易储存的替代天然气（SNG），相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用太阳能塔收集高温热能，通过熔盐储热系统实现能量时移，驱动超临界二氧化碳（SCO₂）布雷顿循环发电；产生的电能供给质子交换膜（PEM）电解制氢，最终在Sabatier反应器中与捕集的CO₂合成SNG。关键技术包括：基于美国斯科茨代尔市太阳辐射数据的系统仿真、SCO₂循环热力学优化、以及考虑生产税激励的平准化能源成本（LCOE）测算。

系统描述
系统由太阳能塔、熔盐储热、SCO₂循环、PEM电解和Sabatier反应器五部分组成。太阳能塔聚焦光热产生565°C熔盐，SCO₂循环发电效率达51.7%，电解氢与CO₂在3.5MPa/350°C条件下催化生成SNG。

热力学分析
?分析显示，PEM电解（33.3%）和Sabatier反应（29.5%）是主要能量损失环节。案例研究表明，系统年处理CO₂29.4千吨，SNG?效率达36.9%，显著高于传统路径。

结果与讨论
经济性方面，SNG的LCOE为68.9/MWh（区间63?143/MWh），税收优惠可降低31.8$/MWh。敏感性分析表明，电解槽容量因子和CO₂运输成本对经济性影响最大。

结论
该研究证实太阳能-SNG系统可实现碳中性循环，其?效率（36.9%）与LCOE（68.9$/MWh）已接近商业化阈值。通过利用现有天然气基础设施，该系统为可再生能源大规模并网提供了"电-气-电"的闭环解决方案，尤其适合光照资源丰富且具备CO₂管网地区（如美国现有5300英里CO₂管道）。研究为达成《巴黎协定》2050碳中和目标提供了兼具技术可行性与经济竞争力的新型能源存储范式。