《Advanced Energy and Sustainability Research》：Techno-Economic-Environmental Assessment of Pyrolysis-Based Power Production From Methane
编辑推荐：
甲烷热解通过将天然气转化为氢气和固态碳，避免了二氧化碳的直接生成，从而实现低碳发电。本研究对集成热解技术的联合循环（T-cycle）进行了全面的技术-经济-环境评价，并以传统天然气联合循环（C-cycle）为基准进行了性能对标。热力学建模结果表明，将热解温度从
甲烷热解通过将天然气转化为氢气和固态碳，避免了二氧化碳的直接生成，从而实现低碳发电。本研究对集成热解技术的联合循环（T-cycle）进行了全面的技术-经济-环境评价，并以传统天然气联合循环（C-cycle）为基准进行了性能对标。热力学建模结果表明，将热解温度从500°C提升至1500°C，甲烷转化率从8%提高至97%，燃料低位热值（LHV）从51.73 MJ/kg增至115.3 MJ/kg，但净输出功率从38.54 MW降至13.35 MW。在基准工况下，与传统天然气联合循环相比，T-cycle可将单位发电量二氧化碳排放降低约54%，而售电价格则从0.13美元/kWh上升至0.35美元/kWh。参数分析显示，提高反应器压力可增加净输出功率，但会抑制甲烷转化率，揭示了效率与脱碳之间存在权衡关系。经济评估结果表明，在适度的碳定价机制下，或通过固态碳副产物的资源化利用（其价格在无碳税情形下需达到约1023美元/吨），可实现两套系统的电价持平。总体而言，该研究证实了甲烷热解作为燃气发电战略性脱碳路径的系统级潜力。
研究背景与意义
为实现《巴黎气候协定》设定的控温目标，全球能源系统亟需快速脱碳。当前天然气发电占全球发电量的20%以上，且预计在未来数十年内仍将是电力系统的重要组成部分，但其伴随的高碳排放成为实现气候目标的主要障碍。氢能虽被视为零碳能源载体，但目前96%的氢能生产仍依赖化石燃料，产生大量二氧化碳。在此背景下，甲烷热解技术作为一种制备“绿松石氢”（Turquoise Hydrogen）的路线，能将甲烷裂解为氢气和高纯度固态碳，避免了传统蒸汽重整过程中的直接碳排放。尽管该技术在前端反应器和制氢经济性上已有探索，但在系统集成至发电领域并进行全系统层面的技术-经济-环境综合评价方面仍存在空白。研究人员针对这一缺口，提出了一种集成甲烷热解与燃气-蒸汽联合循环的新型发电系统（T-cycle），并与传统天然气联合循环（C-cycle）进行了对标研究，旨在量化其在电力生产中的实际潜力和局限性。
主要关键技术方法
研究人员采用MATLAB R2018b构建了稳态热力学模型。研究设定了T-cycle（集成热解）和C-cycle（传统联合循环）两套系统，并在相同的边界条件（如组件效率、压比、环境温度）下进行对比。热力学平衡计算基于吉布斯自由能最小化（Gibbs Free Energy Minimisation）原理，利用拉格朗日乘子法求解反应器内的化学平衡组成。经济性评估涵盖了总资本投资（TCI）、总运营成本（TOC）、现金流（CF）及平准化度电成本的计算，综合考虑了设备购置、安装、燃料消耗及潜在的碳税与固体碳收益。模型验证通过与文献报道的氢气摩尔分数数据进行对比完成，确保了热力学计算的准确性。
研究结果
热力学与排放特性
研究结果显示，T-cycle在基准工况（1050°C，1500 kPa）下，单位发电量二氧化碳排放为0.11 kg CO2/kWh，较C-cycle的0.24 kg CO2/kWh降低了约54%。燃料的低位热值（LHV）从甲烷的50.02 MJ/kg提升至95.02 MJ/kg，体现了氢气的能量密度优势。然而，由于热解反应为吸热过程，消耗了大量电能，导致T-cycle的净输出功率为17.53 MW，远低于C-cycle的41.97 MW。
温度参数的影响
随着热解温度从500°C升高至1500°C，甲烷转化率从8%显著提升至97%，燃料LHV相应从51.73 MJ/kg增至115.3 MJ/kg。但代价是净输出功率大幅下降65%（从38.54 MW降至13.35 MW），同时售电价格从0.15美元/kWh飙升至0.47美元/kWh。这表明高温虽然有利于深度脱碳，但会加剧系统的能效惩罚和经济成本。
压力参数的影响
提高燃烧压力对两个系统的影响呈现差异化。对于T-cycle，压力升高抑制了甲烷转化（勒夏特列效应），转化率从91.81%降至82.30%，导致更多碳被氧化为二氧化碳，排放略有上升。但压力的升高增加了进入透平的工质流量，使得T-cycle净功率提升了约17.20%（2.66 MW），远高于C-cycle的2.7%增幅，显示出通过优化压力可在脱碳与效率间寻求平衡。
经济竞争性分析
经济性分析表明，在无碳税情景下，T-cycle需要固体碳售价达到约1023美元/吨才能实现与C-cycle（0.13美元/kWh）的电价持平。碳定价机制能显著改善T-cycle的经济性：当碳税达到200美元/吨时，所需的固体碳价格门槛降至767美元/吨，此时两者的平价电价为0.21美元/kWh。每增加100美元/吨的碳税，可减少约120-130美元/吨的固体碳价格需求。
结论与讨论
研究人员指出，甲烷热解发电（T-cycle）是一条具有战略意义的脱碳路径，而非单纯的最低成本发电方案。该系统面临的核心权衡在于：提高热解温度可大幅降低碳排放，但会因寄生能耗增加而显著降低净发电量和经济效益。研究证实，通过适度的碳定价政策或高附加值的固体碳副产品市场开发，可以有效弥补T-cycle的经济劣势，使其在与传统天然气发电的竞争中具备可行性。此外，采用模块化设计和渐进式集成现有电厂可降低投资风险。值得注意的是，本研究基于热力学平衡假设，代表了理想状态下的性能上限，实际工业应用中受限于动力学因素，可能需要催化剂或更高温度，这将是未来的研究方向。该研究成果发表于《Advanced Energy and Sustainability Research》。
