通过等离子体技术实现化工行业的电气化——一种技术经济视角

《Energy》：Electrification of the Chemical Industry via Plasma Power to X – a Techno Economic View

　　塞缪尔·贾罗·考夫曼 | 帕斯卡尔·埃尔廷 | 迈克尔·科尔恩 | 乔·奎德 | 凯·彼得·比尔克 | 保罗·罗斯纳
斯图加特大学光伏研究所、电能存储系统与Power to X项目，Pfaffenwaldring 47，70569 斯图加特，德国

**摘要**
基于等离子体的Power to X技术通过将可再生电力和碳原料转化为合成气，为化学价值链的电气化提供了有前景的选项。本研究系统评估了从沼气到燃料和化学品的基于等离子体的工艺的技术经济潜力。分析涵盖了不同的工艺变体，包括基于等离子体的干重整、甲烷热解和二氧化碳转化。在单独的建模中，还研究了下游转化为费托燃料或甲醇以及可再生电力供应系统的路径。结果表明，沼气重整路径优于其他途径，在300兆瓦的规模下，合成气成本可降至840欧元/吨，工厂效率约为44%。电力成本是主要成本组成部分，占总合成气成本的50-60%，而沼气原料价格和资本支出则具有次要影响。敏感性分析表明，工艺效率、甲烷转化率和电力供应效率是主要的技术成本驱动因素，而与投资相关的参数（如资本支出）对总生产成本的影响相对较小。下游合成成本主要受合成气价格影响，占总净生产成本的70-85%。费托合成仍然需要大量资本，而甲醇合成由于资本支出较低，因此更具能源效率。对可再生电力供应的明确建模显示，在有利的位置，通过减少满负荷运行时间进行成本优化后，电力价格可以降至20-30欧元/兆瓦时以下，从而使合成气成本低于600欧元/吨。总体而言，基于等离子体的沼气重整成为一种具有竞争力的可再生合成气生产途径，为化学价值链的去化石化提供了经济韧性和可行路径。

**引言**
气候目标未能实现。最新的2025年气候峰会再次明确指出，《巴黎协定》中设定的将温度升幅限制在1.5°C以下的目标无法实现。到2020年，全球变暖已经比工业化前水平（1850-1900年）高出1.1°C（地表温度为1.59°C）。极端天气事件的频率和强度正在增加，估计有36亿人因此处于高度脆弱状态[1]。尽管有这些明确记录的危险发展，2024年全球温室气体排放量达到了新的历史高点53.2 GtCO2eq，比2023年增加了1.3%。几乎所有行业都出现了排放增长，其中发电行业继续占全球排放量的约30%，而燃料生产行业在2024年的增长最为显著[2][3]。如果不采取额外措施，与能源相关的二氧化碳排放量将在2050年之前保持在与今天几乎相同的水平，这意味着到2100年全球变暖将升至约2.9°C[3]。

化石碳氢化合物仅在特定的地质条件下形成，即有机物质在数千万到数亿年的时间尺度上，在高温（60-120°C）和高压（100-1000巴）下转化为石油和天然气[4]。相比之下，这些能源载体在短短150-200年内就被大规模开采和燃烧。因此，地质时间尺度上积累的能量在几代人之内就被释放出来。根据世界能源展望，2024年的日石油产量约为159亿升（约3.5亿汽车油箱的容量）。按年计算，这相当于约4900百万吨。全球天然气产量也在同一数量级，为4280亿立方米（约3000百万吨）。此外，全球还生产了6400百万吨煤炭[3]。这些数字说明了化石碳氢化合物作为全球原材料基础的巨大规模。

碳氢化合物化合物具有广泛的应用，并对现代社会至关重要。这一点在交通运输领域尤为明显。全球道路运输的二氧化碳排放量每年约为6900百万吨[2]。这导致每年大约需要2400百万吨的燃料（基于典型的燃料特定排放因子：汽油69.3吨CO2/吨热值，柴油74.1吨CO2/吨热值[5]）。此外，2023年全球航运行业的燃料消耗量约为211百万吨[6]。航空运输的燃料消耗量也相当：欧盟为48.5百万吨[7]，全球为290百万吨[8]。

汽油（C5–C11）、柴油（C9–C22）、煤油（C8–C17）和船用柴油（C10+）主要来自炼油厂的原油馏分。然而，这种能源使用仅代表了化石碳氢化合物材料循环利用的一部分。除了燃料生产外，炼油厂和石化工厂还使用石脑油（原始汽油，C5–C12）、天然气和煤炭来生产关键的基础化学品。其中一个关键过程是蒸汽裂解。较轻的天然气馏分（如乙烷）或液态石油馏分（如石脑油）在高温下与蒸汽一起进行热裂解。蒸汽裂解产生烯烃（特别是乙烯[9]和丙烯），以及副产品如丁二烯和热解气（Pygas）[9]。欧洲石化行业的概述文件[10]显示，这些少数平台化学品支撑了大多数有机化学品的生产——从包装、纺织品和建筑材料到轮胎、弹性体、油漆和粘合剂，再到纤维、泡沫、溶剂和树脂。乙烯在其中起着关键作用。乙烯的年产量超过140百万吨，是按体积计算最重要的碳基化学品原料[11]。这种化石原料的使用表明，炼油厂和石化工厂提供的不仅仅是能源来源。

虽然蒸汽裂解主要服务于C2+化学品，但全球C1化学品的很大一部分基于甲醇。全球甲醇需求每年超过150百万吨[12]。其中约四分之一通过甲醇到烯烃的工艺进一步加工，四分之一用于生产甲醛（例如用于粘合剂和防腐剂），四分之一用作燃料或燃料添加剂，其余部分用于其他化学应用[12]。2020年，全球甲醇需求的不到1%来自生物质或可再生能源。大约35%的产量基于煤炭，约65%基于天然气[12]。传统的甲醇生产主要使用合成气，这是一种氢气（H2）和一氧化碳（CO）的混合物。这种合成气通常通过甲烷的蒸汽重整产生，其中蒸汽作为反应物从天然气中提取氢气和CO。根据多项研究，合成气和氢气的需求估计约为210百万吨/年[13]。

这一发展强调了化石碳氢化合物、合成气和氢气之间的紧密联系，并突显了为什么替代的、电气化的合成气和氢气生产路线越来越被视为实现气候中性化学工业的关键技术。虽然通过直接电气化（尤其是通过光伏、风能和基于电池的储能）可以高效地减少能源系统的碳排放，但在几个核心工业领域，这种方法遇到了根本性的限制。例如钢铁制造、水泥生产和大部分化学工业的过程具有极端温度要求、复杂的反应路径以及对碳基原料的强烈依赖。在这些领域，仅用电力直接替代化石燃料是不够的，或者在经济上不可行。因此，实现深度脱碳需要根本性的新工艺概念，将可再生电力直接与化学键激活和分子转化相结合。

基于等离子体的Power to X技术通过在高温和非平衡条件下将电力转化为活性化学物质，提供了这样的途径，从而开辟了无化石燃料、化学品和材料的合成路径。与传统热化学转化过程不同，基于等离子体的系统实现了根本不同的能量传递方式，其中电能直接输入到气相中。在温暖等离子体状态（如辉光到电弧放电）下，这导致了非平衡和热驱动反应路径的结合。高能电子引发分子激活和分解，而放电区局部升高的气体温度促进了额外的热化学反应。因此，化学转化不仅受反应器整体温度或热力学平衡的控制，如传统重整过程那样。相反，等离子体系统表现出空间和时间上的异质反应环境，在这种环境中无需加热整个反应器体积即可实现高反应性。这种能量输入与整体条件的解耦允许在接近大气压的条件下运行，并消除了对大型外部加热反应炉的需求，同时能够快速响应电力输入的变化[14][15][16][17]。

在此背景下，许多研究和战略路线图探讨了未来运输和化学工业所需的气候中性氢气和碳基能源载体的供应概念[18][19][20]。特别是，已经制定了合成航空燃料的市场推广路线图，以支持航空业的脱碳[21]。鉴于经济可行性在技术部署中的核心作用，技术经济分析（TEA）被广泛用于评估可实现的成本范围，并确定氢气、合成气、合成燃料和化学品的关键成本驱动因素。

当前评估表明，电解氢气的生产成本强烈依赖于电力价格、利用率和系统边界。报告的数值在大约4至12欧元/千克氢气之间，平均估计约为7欧元/千克氢气[22]，而能够获得低成本可再生电力的乐观情景表明潜在成本低于3欧元/千克氢气[23]。同时，氢基础设施和运输代表了必须在综合系统评估中考虑的显著额外成本因素[24]。对于下游产品，先前的研究报告称，合成燃料（如费托合成液体和合成煤油）的生产成本约为2-3欧元/升[25][26][27][28]，而电气化甲醇的成本约为1900欧元/吨[30]。

本研究的目的是系统评估使用替代非化石原料的基于等离子体的Power to X途径在化学价值链电气化方面的技术经济潜力。在之前开发的用于基于等离子体的二氧化碳分解的模型框架的基础上[28][29][31]，本研究扩展了该方法，包括等离子体辅助的沼气重整以及对可再生电力供应的明确表示。在此背景下，评估了不同的含碳原料（特别关注沼气），结合基于等离子体的转化过程和下游合成路径，以生产能够替代化石衍生产品的燃料和化学能源载体。考虑的产品范围包括合成气作为核心中间体，以及合成煤油、船用柴油、FTS液体（C5+）和甲醇。评估基于先前关于沼气转化的等离子体反应器的实验研究，这些研究为定义现实的转化参数和性能范围提供了基础。在此基础上，系统分析了多种沼气利用和替代基于等离子体的路径，从而得出关于规模行为、合成气需求以及与下游燃料和化学合成链整合的结论。采用基于模型的技术经济分析来量化工艺效率、电力需求、资本和运营支出以及所研究路径的总生产成本。除了工厂规模的评估外，该研究还将结果与全球对碳氢化合物和合成燃料的需求联系起来。在这方面，研究了所需的合成气量、相关的能量限制以及沼气衍生合成气对全球需求的潜在贡献。通过一致的方法论基础比较原料-工艺-产品组合，本研究旨在为难以减排的行业确定稳健的电气化路径，并确定影响基于等离子体的Power to X转化技术竞争力和可扩展性的关键技术经济因素。

**技术经济评估方法**
所研究过程的建模和技术经济分析（TEA）是在MATLAB Simulink中进行的。本研究基于我们工作组的出版物[28][29][31]，使用德国航空航天中心（DLR）开发的标准化方法的计算方法和术语[25]。研究了从沼气到合成气以及进一步将合成气转化为电子燃料和甲醇的各种基于等离子体的转化路径。

**结果**
本节展示了技术经济评估的结果。它包括总体框架、所研究工艺路径的经济性能、下游合成路径以及关键成本驱动因素（特别是电力成本）的分析。

**结论**
本研究系统评估了使用替代非化石原料的基于等离子体的Power to X途径在化学价值链电气化方面的技术经济潜力，特别关注沼气。在之前建立的基于等离子体的二氧化碳分解建模框架的基础上，该分析扩展到了等离子体辅助的沼气重整、其他基于等离子体的工艺变体以及对可再生电力供应的明确表示。ByCRediT作者贡献声明：Paul R??ner负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论研究、资金筹集、形式化分析及概念化工作；Kai Peter Birke负责监督、资源协调、项目管理和资金筹集；Samuel Jaro Jaro Kaufmann负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、软件开发、方法论研究、资金筹集、形式化分析及数据整理。未引用的参考文献[7]。数据可用性声明：可根据请求提供相关数据。利益冲突声明：作者声明不存在任何利益冲突。在本文撰写过程中，作者使用了ChatGPT工具来重新组织和构建部分段落。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全责。资金支持：本研究属于PlasmaFly联合项目的一部分。PlasmaFly项目获得了德国联邦数字与交通部提供的150万欧元资助，该资金属于“可再生燃料”资助计划的一部分。该项目的资助指南由NOW GmbH协调，并得到了VDI/VDE Innovation + Technik GmbH和Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.（可再生资源机构）的支持；项目编号为16RK14013AD。利益冲突声明：Kai Peter Birke声明获得了德国联邦交通部的财政支持。如果还有其他作者，他们也声明自己没有可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。致谢：作者感谢创始人、所在大学、研究机构以及朋友和家人的日常支持。