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上海高研院在绿色甲醇系统优化及环境影响评价方面取得重要进展
时间:2023-10-11 来源:
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中国科学院上海高等研究院唐志永研究员和陈倩倩副研究员所带领的工程科学团队,在绿色甲醇集成系统的优化及全生命周期环境影响评价方面取得重要进展,研究成果以“Prospective life cycle environmental impact assessment of renewable energy-based methanol production system: A case study in China”为题近日发表在能源环境领域期刊Journal of Cleaner Production。论文第一作者为上海高研院2021级硕士生赛热达尔·买买提。

由于可再生能源发电的间歇性和波动性,大规模的可再生能源发电并网将给电网系统的安全稳定运行带来严重的安全隐患。集成可再生能源制氢与化学品(如甲醇、烯烃)生产的综合能源系统,不仅可以实现可再生能源规模化的离网应用,还为化工、交通运输和钢铁生产等高碳排放行业的碳减排提供了可行路径,相关研究近年来备受关注。

由于目前未有工业规模的可再生能源离网发电耦合化学品生产的综合能源项目,其全生命周期环境影响评价的研究很少考虑可再生能源发电波动性引起的影响。为了解决该问题,工程科学团队基于中国内蒙古某地(40°19.8′N109°41.6′E)的风光资源特性,使用Homer-Pro软件对风--储耦合的电-氢生产系统进行组件容量配置的优化,以时序稳定输出的氢气作为下游甲醇生产的进料,并使用Aspen plus仿真获取甲醇生产系统的物质流和能量流(图A),基于“cradle-to-gate”的系统边界实现了可再生甲醇的全生命周期环境影响评估(图B)。该研究系统考虑了电解池、储电、储氢等设备制造、充放电/氢的功率损耗、可再生能源发电波动引起的弃电损失、与当地电网的交易方式等对甲醇生命周期评价的影响。

研究表明,在综合能源甲醇生产系统中,光伏发电作为各类环境影响的主要贡献者发挥着重要作用(图C)。值得注意的是,燃煤电厂碳捕集装置(CCU)热-电的需求对于非生物耗竭潜能(ADP)造成了明显的影响(图C)。为了评估电氢系统与当地电网交易方式对甲醇生命周期环境评价的影响,研究采用情景分析的方法对拟定案例的环境影响进行同质化分析。研究发现案例B1B2在所有环境影响类别中表现优越,尤其在全球变暖潜能(GWP)方面,说明电-氢生产系统采用多余电力上网且不购电的方式将利于系统降碳(图E)。同时,与传统化石甲醇生产系统(即CTMCGTMNTM)相比,综合能源甲醇生产系统在全球变暖潜能(GWP)方面表现出优越的性能,分别降低92%83%74%(图D),主要归功于该系统利用了可再生能源发电制氢技术,以及二氧化碳制甲醇技术。然而,该系统的HTPODPEP等环境影响指标远远高于传统化石燃料甲醇生产路线。因此,研究中常用的GWP分析不能充分显示其环境可持续性影响指标,未来大规模开发基于可再生能源的甲醇生产系统时,还应给予充分考虑。

 

(A) 研究方法,(B)环境影响评价的系统边界,(C)环境影响指标的工艺单元sankey图,(D)与传统化石能源制甲醇的环境影响指标的比较,(E)不同案例环境影响的同质化分析 

该工作获得了壳牌前瞻科学项目和国家自然科学基金的资助。

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139002