一种结合辅助电解与废物能源转化技术的新型绿色甲醇生产系统的4E性能分析及优化

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：4E performance analysis and optimization of a novel green methanol production system integrating assisted electrolysis and waste-to-energy technologies

　　马欣|方志聪|刘航宇|张雪梅|陈志光中国上海201804，同济大学汽车与交通学院摘要绿色甲醇对于实现难以减排领域的脱碳至关重要，但其大规模生产受到时空供需失衡和高能耗的限制。本研究提出了一种新型的多联产系统，整合了碳辅助水电解、废物能源化、碳捕获、甲醇合成、风力发电、光伏发电、压缩二氧化碳储能以及制冷与供暖单元。在该系统中，电解产生的氢气以及废物能源化过程产生的二氧化碳被用于甲醇合成，而电解过程中的副产品氧气则被回收利用以提高废物能源化的燃烧效率。同时，压缩二氧化碳储能和废物能源化系统可调节电力波动，制冷与供暖单元则可回收废热。通过条件风险价值分析评估了系统在运行不确定性下的性能，结果表明其能量效率和?效率分别达到56.96%和51.15%。在碳税和政策补贴的支持下，该系统的甲醇平均成本为352.12美元/吨，投资回收期为5.28年，20年的净现值为2280万美元。该系统的运营碳排放量为0.256千克二氧化碳/千克甲醇，而全生命周期碳排放量为0.772千克二氧化碳当量/千克甲醇。优化分析显示，为应对极端供应短缺，每年需支付11.32千美元的风险溢价作为保障措施。这些结果表明，通过生物/可再生碳源及回收碳源的结合，能够实现一种既具热力学高效性又具有经济可行性的低碳废物基甲醇生产路径。引言在全球脱碳需求的推动下，向以可再生能源为中心的能源体系转型已变得不可避免。然而，风能和太阳能的间歇性和不稳定性往往导致较高的电量削减率，这就需要大规模的能源储存和灵活的负荷管理——尤其是那些能够与下游化学工艺深度整合的长时储能系统[1]。“Power to X”技术可将可再生能源转换为可储存、可运输的能源载体，包括氢气、甲醇、甲烷和氨[2]。其中，甲醇因其出色的储存性、运输性以及广泛的工业应用前景而备受重视。二氧化碳加氢制甲醇是实现电网与化学工艺耦合的关键途径，它既能应对绿色电力的波动，又能实现碳循环闭合[3]。已有大量研究探讨了可再生甲醇生产系统的技术经济可行性。早期的研究主要侧重于优化多联产系统的能源效率，例如Nazerifard等人[4]设计了一种集成甲醇、氢气和电能生产的三联产系统，并通过热力学分析提升了各组件的效率。类似地，Shi等人[5]则通过热整合和热泵技术优化了基于二氧化碳加氢的甲醇储能系统。尽管技术上取得了进展，但大规模商业化仍面临两大瓶颈：廉价且稳定的绿色氢气的缺乏，以及成本合理且可持续的二氧化碳来源的匮乏[6]。废物能源化技术不仅能实现城市固体废物的处理，还能产生能源，具有双重优势。由此产生的富含二氧化碳的烟气理论上是非常理想的甲醇合成原料[7]。在这里，碳捕获与储存不仅是一种满足环境法规的要求，也是一种获取合成原料的有效策略[8]。Wang等人[9]通过设计一种将水电解与等离子体废物气化相结合的甲醇电能联合生产系统，证明了废物气体利用的可行性。在此基础上，Li等人[10]将储能技术纳入该体系，提出了一个整合风能/太阳能、压缩二氧化碳储能技术并评估其热力学和经济性能的系统。然而，这些研究往往将碳源视为稳定的，隐含地假设外部碳供应不受限制或完全稳定，忽视了现实世界中废物能源化操作所存在的时空变化性。实际上，政策驱动的废物分类和季节性收集差异往往会导致废物能源化工厂的原料供应不稳定，设备利用率低下[11]。这种上游的波动性会给二氧化碳流带来极大的随机性，从而影响在严格热和安全约束下运行的甲醇反应器的稳定运行。因此，开发多样化且可控的补充碳源至关重要。虽然传统的碱性电解和质子交换膜电解技术可以利用绿色电力生产氢气，但其高能耗仍然是降低生产成本的主要障碍[12]。碳辅助水电解技术则为解决这一难题提供了有希望的方案。通过在阳极引入生物炭或煤基碳源，碳氧化反应为氧析出反应提供了一条势能更低的竞争路径，从而在一定程度上降低了阳极极化程度，进而降低了氢气生产的整体电池电压和能耗。不过，在实际操作条件下，碳氧化反应和氧析出反应可能同时存在，这两种反应的相对贡献取决于操作电位、电流密度、碳表面可用性以及传质条件[13]。在机理研究方面，Hu等人[14]证明生物炭氧化反应能显著降低反应起始电位并提高电流密度。在系统集成方面，Zhou等人[15]结合Aspen Plus仿真和实验验证，开发了一种以玉米芯作为牺牲阳极的系统，他们的研究结果证实了同步生产合成气与高效制氢的可行性。在实际运行中，碳氧化反应并不能完全取代氧析出反应，两者会同时进行，从而形成含有氧气和二氧化碳的混合阳极气体[15]、[16]、[17]。在本研究中，碳辅助水电解技术具有双重作用：它不仅可以减轻氢气生产的能耗负担，还能为甲醇合成提供稳定且可控的二次碳源（二氧化碳/一氧化碳），且不依赖于城市固体废物流，从而有效弥补了废物能源化碳源的间歇性缺陷。为应对风能和太阳能等间歇性可再生能源的不确定性，现有文献提出了多种多能源系统的运行优化方法。Klyapovskiy等人[18]通过动态负荷调节有效解决了P2X系统中的可再生能源间歇性问题，而Du等人[19]则针对不确定性条件下的电氢氨甲醇耦合系统建立了多目标分布式鲁棒优化模型。然而，这些研究大多采用风险中性或概率论视角，往往无法准确捕捉极端情景下的尾部风险。尤其值得关注的是甲醇合成过程，该过程对能源供应的连续性极为敏感。由于极端可再生能源短缺导致的意外停机会造成巨大的重启成本，并带来严重的安全风险[20]。本研究提出了一种新型的多联产系统，整合了可再生能源、压缩二氧化碳储能、废物能源化、碳辅助水电解、碳捕获、甲醇合成以及吸收式制冷/供暖技术。该系统采用了耦合仿真-优化框架，首先通过Aspen Plus稳态模型定义连续过程的电气、热学和物料约束条件。风力发电和光伏发电是主要的可再生能源来源，电网交易则起到辅助平衡的作用。废物能源化系统可将城市固体废物转化为可利用的热能、蒸汽动力以及含二氧化碳的烟气，为整个系统提供碳源和热能支持。碳辅助水电解技术不仅能降低氢气生产的能耗，还能为甲醇合成提供氢气、含碳的阳极气体，以及用于增强废物能源化燃烧效果的氧气。碳捕获子系统则负责从废物能源化系统的烟气中提纯二氧化碳，将其用于甲醇合成，从而实现废物碳源的化学转化。甲醇合成子系统则将氢气和二氧化碳转化为高纯度的甲醇。压缩二氧化碳储能系统通过闭环二氧化碳存储循环来缓冲可再生能源供应的波动，而级联热回收与吸收式制冷/供暖系统则可为用户提供制冷和供暖服务。这些过程约束条件随后被嵌入到基于MATLAB的随机调度模型中，该模型采用基于条件风险价值的滚动优化策略[21]，在不确定性条件下协调风力发电、光伏发电、压缩二氧化碳储能、废物能源化系统以及电网交易之间的关系。从整体上看，该系统的有效性源于可再生能源供应、碳源供应、热整合、能量缓冲以及风险缓解措施之间的协同作用。风力发电和光伏发电能够提供低碳但不稳定的电力，废物能源化系统则提供了稳定的碳源和热能基础，而碳辅助水电解技术则能提供灵活的氢气以及辅助碳源，同时通过氧气回收提升废物能源化系统的效率。甲醇合成过程则持续消耗氢气和二氧化碳，而吸收式制冷/供暖系统则可将回收的热能转化为有用的能源形式。压缩二氧化碳储能系统和电网交易则共同承担起缓冲可再生能源间歇性的任务，以确保甲醇合成的持续进行。条件风险价值分析能够捕捉极端情况下的可再生能源供应短缺问题，并量化为应对此类尾部风险所需的成本。总体而言，该系统并非简单地将各种单元组合在一起，而是一条将可再生能源、废物能源化、碳转化和甲醇生产相互关联的路径，它不仅提升了系统的热力学性能和碳利用效率，还增强了系统的运行韧性。本研究的主要目标如下：(1)通过整合碳辅助水电解、废物能源化及压缩二氧化碳储能技术，构建一种具有混合双碳源供应架构的绿色甲醇多联产系统，从而在可再生能源供应不稳定的情况下，通过协同的物料和能量缓冲机制确保甲醇合成的持续进行。(2)通过全面的4E分析，从能量、?、经济和环境等多个角度对所提出的系统进行定量评估。(3)建立一种跨平台的框架，将高精度的Aspen Plus工艺仿真与基于条件风险价值的随机调度模型相结合，从而协调可再生能源供应的波动与固定的化学工艺需求，提升系统在不确定性条件下的运行韧性。系统概述所提出的集成能源系统是一种多联产框架，旨在通过整合可再生能源、废物能源化转换以及绿色甲醇合成来实现碳中和目标。该系统已在代表性规模上进行了示范，以310千克/小时的城市固体废物进料速率作为基准。如图1所示，该系统由六个主要子系统组成：(1)可再生能源供应系统（风力发电、光伏发电）以及压缩二氧化碳储能系统；(2)碳辅助水电解系统；系统性能评估指标4E分析涵盖了能量、?、经济和环境四个方面，各项指标都是在特定边界条件下进行评估的。能量和?分析是在Aspen Plus的设计状态工艺边界内进行的，范围包括化学转化、蒸汽生成、热回收、制冷和供暖过程，但不包括年度风力发电/光伏发电的随机调度情况。经济分析则基于全年的条件风险价值调度结果，其中包括可再生能源发电、压缩二氧化碳储能系统的运行情况等。结果与讨论该系统的关键运行参数总结见表7。结论本研究提出并优化了一种具有双碳源架构以及风险意识调度机制的新型碳中和多联产系统。该系统整合了碳辅助水电解、废物能源化、可再生能源、压缩二氧化碳储能以及碳捕获技术，用于绿色甲醇的生产，同时还实现了废热回收以供区域供热使用。通过构建一个将严格的热力学仿真与基于条件风险价值的规避风险最优调度相结合的协同框架，本研究对该系统的多维度性能进行了评估。CRediT作者贡献声明马欣：撰写——原始稿件、软件应用、方法设计、研究实施、概念构思。方志聪：撰写——审稿与编辑、可视化处理、监督指导、方法设计。刘航宇：结果验证、监督指导。张雪梅：监督指导。陈志光：撰写——审稿与编辑、结果验证、监督指导、方法设计、概念构思。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。