原文标题：Global production potential of green methanol based on variable renewable electricity
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d3ee02951d
原文译名：基于可变可再生能源电力的全球绿色甲醇生产潜力
期刊名称：Energy & Environmental Science 2024年影响因子/JCR分区：32.4/Q1
发表时间：2024年
作者信息：Mahdi Fasihi，Christian Breyer.
摘要
甲醇是全球主要的石化产品。利用 Power-to-X 技术生产的绿色甲醇是解决现有甲醇供应化石化和化石燃料替代问题的潜在方案。本研究调查了在 0.45°×0.45°空间分辨率范围内，基于光伏-风能混合系统的每小时电力供应，利用电解氢和大气二氧化碳生产最低成本绿色电甲醇的最佳系统配置。结果表明，到 2030 年，太阳能光伏发电将成为世界大部分地区的主要发电技术。以7%的加权平均资本成本计算，2020 年、2030 年、2040 年和 2050 年，在最佳地点生产电甲醇的成本范围分别为每吨甲醇 1200-1500、600-680、390-430 和 315-350 欧元。到 2040 年，电甲醇的生产成本将与市场价格持平，这表明甲醇供应可以在不增加消费者成本的情况下实现去化石化。相反，当燃料价格低于 11 美元时，电甲醇的成本仍高于天然气甲醇的成本。然而，每吨二氧化碳排放成本高达 150 欧元的引入可将天然气甲醇的成本提高到每吨甲醇约 300 欧元，从而显著提高电甲醇在市场上的成本竞争力。
介绍
甲醇（CH3OH 或 MeOH）是全球第三大初级石化产品。甲醇的主要衍生物包括烯烃、甲醛、乙酸、甲基叔丁基醚、甲基丙烯酸甲酯和二甲醚，用于汽车、建筑、涂料、制药和包装。甲醇还部分用于汽油混合或转化为汽油作为运输燃料。目前，甲醇主要由天然气生产，部分由石油和煤炭生产，生产过程中每吨甲醇排放 0.5-1.5 吨二氧化碳 (tCO2)。此外在甲醇或其衍生物的使用寿命结束时，通过焚烧会产生每吨甲醇 1.375 吨二氧化碳的额外排放量。鉴于气候变化的紧迫性，根据《巴黎协定》，必须减少甲醇生产需求增长所产生的温室气体排放。
利用可持续的低碳原料和能源生产甲醇是减少温室气体排放的一种选择。可再生电力，特别是太阳能光伏发电（PV）和风力发电的成本不断下降，加上工业规模的二氧化碳直接空气捕集（DAC）技术的进步，显示了通过水电解可持续地供应氢气和通过 DAC 可持续地供应二氧化碳的潜力。通过直接二氧化碳加氢合成甲醇因其更高的能源和经济效率 、更少的冷却需求和更简单的工厂设计而受到青睐。预计2050 年由绿色甲醇供应的常规甲醇需求量可达到每年 4.4-7.61 亿吨。电制甲醇方法的技术可行性，以及丰富的太阳能和风能资源，为以可再生电力为基础的甲醇（电甲醇）提供了潜在的供应能力。本研究以 0.45° × 0.45° 的空间分辨率调查了 2020 年至 2050 年全球范围内通过光伏-风能混合发电-甲醇系统以小时为单位优化大气二氧化碳捕集和氢化的电甲醇的成本和发电潜力。本研究还报告了实现最低成本燃料生产和运营行为所需的技术组合，提供了电甲醇和传统甲醇生产的成本比较。
讨论与结果
1、技术组合和平准化电力成本
充足的低成本电力是低成本 “Power-to-X ”产品的基础。图 1 中的每小时优化结果显示，到 2030 年，除巴塔哥尼亚、中欧和北欧、美国中西部以及北纬 60 度以上的大部分地区外，光伏发电在全球大部分地区的电甲醇生产中占据主导地位。到 2050 年，光伏发电为主的地区将扩展到全球各地，尤其是巴塔哥尼亚、中欧和美国。
图 1. 2030 年和 2050 年光伏发电装机容量与光伏-风电混合装机容量的比率、削减电力的比率、电池放电量与总电力需求量的比率，以及以氢为燃料的燃气轮机发电量与现场电子甲醇的比率
2030 年，在世界大部分地区，成本优化的光伏-风能混合系统发电量的约 2-10% 会被削减。到 2050 年，随着发电成本的降低，全球电力削减率一般会增加 2-10 %。在 2030 年和 2050 年，电池在向最终用途供电方面的作用最多占总电力需求的 5%。在光伏发电比例较高的地区与电池比例较高的地区之间存在直接的相关性。氢燃料燃气轮机没有起到平衡作用。虽然光伏-风能混合发电厂的平准化发电成本仅基于其技术组合，但向最终用户交付电力的成本会受到平衡解决方案的额外成本的影响。如图 2 所示，最佳地点的平准化发电成本从 2020 年的每兆瓦时 20-25 欧元降至 2050 年的每兆瓦时 7-10 欧元，而向最终用户交付电力的成本则分别从每兆瓦时 25-30 欧元降至每兆瓦时 8-11 欧元。
图 2. 2020年、2030年、2040年和2050年的混合光伏-风力发电平准化成本和最终用电平准化成本
2、电甲醇的平准化成本和生产潜力
如图 3 所示，结果表明 2020 年在世界上最佳地点，如巴塔哥尼亚、阿塔卡马沙漠、西藏、非洲之角、美国中西部、非洲北部的部分地区以及理论上格陵兰岛的大部分地区，生产电甲醇的成本范围为 1200-1500 欧元/吨甲醇。2020 年，除阿塔卡马沙漠外，其余最佳地点的能源组合将以风能为主。到 2030 年，各大洲最佳地点的电子甲醇生产成本可降至 600-680 欧元/tMeOH，其中以光伏发电为主的地点占大多数。到 2040 年，以光伏为主的地区将率先生产出成本最低的电甲醇，为每吨390-430 欧元。在光伏发电占主导地位的地区，电甲醇的成本下降相对较快。到 2050 年，电甲醇的生产成本可达 315-370 欧元/tMeOH，遍及各大洲，而阿塔卡马沙漠仍是成本最低的地区。图 3. 2020年、2030年、2040年和2050年的电甲醇现场平准化成本
每个地点的电子甲醇年产量与该地点的太阳能和风能潜力以及应用的技术组合直接相关。如图 4 所示，在风能为主的地区，电甲醇的年产量可达 0.2-0.6 MtMeOH/1000 平方公里，而在光伏和风能混合发电并充分利用光伏面积的地区，从 2030 年到 2050 年，发电量可分别达到 1.6-2.5 MtMeOH/1000 平方公里。
图 4. 2030年和2050年的电制甲醇最佳年发电潜力及 2020 年至 2050 年期间的相应工业成本曲线
随着光伏在技术组合中所占比例和光伏面积安装能力的增加，以及电解槽和 DAC 装置效率的提高 ，全球电甲醇的理论发电潜力将从 2020 年的约 7000 万吨增加到 2050 年的 1.7000 万吨。如图 4 所示，在 2030、2040 和 2050 年，前20 GtMeOH的生产成本分别为 600-680、390-430 和 315-350 欧元/tMeOH，可为全球电子甲醇供应提供足够的技术潜力。
3、样本地点的成本分布
如图 5 所示，2030 年，发电系统在电甲醇生产中所占的成本份额从每吨甲醇185 欧元到408 欧元不等。以光伏发电为主的地区，电甲醇的成本将增加 20-24 欧元/tMeOH。虽然光伏发电为主的地区供电成本最低，但这些地区的电解槽非能源成本却最高，约为 130 欧元/tMeOH。
图 5. 2030 年和 2050 年在选定地点的电甲醇成本分布
DAC 装置的非能耗成本为 193-216 欧元/tMeOH，是电甲醇生产的第二大成本，到 2030 年，发热和供热系统的非能耗成本将使电甲醇的成本再增加 20-25 欧元/tMeOH。电甲醇生产成本的另一个主要来源是甲醇合成装置，其成本为 71-81 欧元/tMeOH。到 2050 年，DAC 的非能源成本比 2030 年下降约 60%，在所有考虑的技术中降幅最大。从 2030 年到 2050 年，甲醇合成厂的成本在总成本中所占比例下降。2030 年的二氧化碳成本为每吨163-195 欧元。2020 年二氧化碳成本约为每吨甲醇 700 欧元或每吨二氧化碳 500 欧元。
4、整体效率和地区需求
2020 年，大多数地区电力-甲醇链的总体效率为 38-45%，到 2050 年将逐渐提高到 45-55%（图 6）。这一增长是由于电解槽、DAC 和电池效率的提高。供电季节性较弱的地区总体效率相对较高。
图 6. 2020年、2030年、2040年和2050年的电制甲醇整体效率
图 7 显示了 2030 年和 2050 年光伏-风能混合系统在每年供应 100 万吨电甲醇时的区域覆盖情况。结果表明，在大多数地区，2030 年每年供应 100 万吨电甲醇时的光伏-风能覆盖面积为 55-500 平方公里。在光伏和风能混合供电的地区，光伏和风能发电厂可将每年 100 万吨电甲醇供应的总覆盖面积从约 200-350 平方公里减少到 150-270 平方公里。到 2050 年，在光伏发电为主的地区，每年 100 万吨电甲醇供应的覆盖面积将降至 45-400 平方公里，原因是光伏发电安装密度较高。到 2050 年，中欧地区的覆盖面积降幅可达 50%。
图 7. 2030 年和 2050 年每年 1 Mt 电甲醇供应的混合光伏风力发电厂面积覆盖率
5、灵活运行和平衡技术的相关性
电解槽、DAC和甲醇合成装置的利用系数（ FLh）会极大地影响系统的总成本。如图 8 所示，在以光伏为主的地区，电解槽的 FLh 在 2600-3200 小时之间。在光伏与风能混合供电的地区，电解槽的 FLh 在 2030 年达到 5000 小时，之后随着光伏在供电中所占比例的增加，FLh 在 2050 年降至 4000 小时以下。在风力资源丰富的地区，电解槽的 FLh 在 2030 年可达到 6000 小时。DAC 装置的 FLh 为 7000-8000 小时，不受地区和年份的影响。2030 年甲醇合成装置的 FLh 为 6700-7700 小时，略低于 DAC 装置的 FLh。
图 8. 2030年和2050年的直接空气捕获和甲醇装置
与甲醇合成装置的 FLh 相比，电解槽装置的 FLh 较低，导致高峰时段氢气产量过高。图 9 中的结果显示，为了平衡电解槽的氢气供应，在大多数以光伏发电为主的地区，所需的氢气压缩机容量为电解槽装置容量的 55-70%。在一些以光伏发电为主的地区，由于光伏供电具有季节性，压缩机与电解槽的容量比可能会超过 80%。
图 9. 氢平衡技术的相关性
氢气存储系统的最佳规模受氢气产生的季节性和可用的氢气存储方案的影响。储氢系统的年吞吐量几乎不受其规模的影响，而主要受电解槽 FLh 的影响。与盐穴储氢系统相比，增加地下管道系统的容量可以作为成本优化方案的一部分，以提高储氢系统的整体充放电容量。到 2050 年，更多地区将以光伏发电为主，电解槽 FLh 将降低，这将增加储氢的作用。如图 10 所示，在大多数地区，热泵提供了电力转化甲醇系统中 DAC 装置热量需求的 50-90%，其余 10-50% 由电热水器提供。2030 年，高达 50% 的电解槽废热被用作热泵的热源，2050 年，电解槽产生的废热用作热泵热源的比例更高。2030 年，高达 35% 的高温热量在被 DAC 机组利用之前被储存起来，到 2050 年，这一比例将下降 5-10 个百分点。二氧化碳平衡技术在电力-甲醇系统中的作用有限。
图 10. 供热和平衡技术的相关性
6、电甲醇与传统甲醇生产成本比较
如图 11 所示，在过去十年中，传统甲醇的市场价格主要在 200-400 欧元/吨之间。研究结果表明，到 2040 年，电甲醇的生产成本可达到这一价格范围，从而为甲醇生产的非化石化提供可能，而不会提高消费者的价格。
图 11. 甲醇历史历史市场价格和成本对比
结果表明，在 2020 年，无论采用何种天然气和二氧化碳排放价格组合，电甲醇在成本上都无法与基于天然气的甲醇竞争。2030 年，当 NG 和 CO2 排放价格组合为 15.5 美元和每吨 CO2 50 欧元，或12 美元和每吨 CO2 100 欧元，或8 美元和每吨 CO2 150 欧元，或4.8 美元和每吨 CO2 200 欧元时，电甲醇可与传统甲醇达到燃料平价。到2040年，电甲醇的价格超过11美元或3.5美元，每吨二氧化碳排放成本为零或100欧元可能具有成本竞争力，后一种情况更有可能出现。如果二氧化碳排放价格为每吨二氧化碳 150 欧元，那么到 2040 年，在任何天然气价格下，电甲醇都将具有成本竞争力。到 2050 年，在不考虑二氧化碳排放价格的情况下，如果天然气价格超过7.5 美元，或者在二氧化碳排放价格为每吨二氧化碳 150 欧元的情况下，天然气价格低至每 MBtu 1 美元，电甲醇将具有竞争力。
7、电甲醇和电氨的潜在竞争和互补作用
电甲醇还可以与电氨作为远距离海洋部门的潜在可持续燃料进行竞争。2020 年，在成本最低的地区，电甲醇的能源成本为 180-220 欧元/MWhMeOH,HHV，约为电子氨生产成本的两倍。到 2050 年，电甲醇和电氨气生产成本之间的差距将进一步缩小到每兆瓦时 HHV 10 欧元。电氨生产产生的余热可用作电甲醇生产链中 DAC 装置的热源。2030 年每年 100 万吨电甲醇和 100 万吨电氨的联合生产可将电甲醇的成本降低 20-40 欧元/tMeOH。在 2050 年，将年供应 300 万吨电甲醇的参考装置与年供应 100 万吨氨的装置相结合，由于每吨电甲醇的余热供应量较低，电甲醇的供应成本仅会降低约 6-14 欧元/吨甲醇。到 2050 年，通过将综合电甲醇装置的年供应量从 300 万吨降低到 100 万吨，从而提高每吨电甲醇的余热供应比例，与世界大部分地区每年单独供应 300 万吨甲醇的系统相比，每吨甲醇的成本降低幅度将扩大到 2-18 欧元。
8、敏感性分析
与基本成本方案（BCS）相比，在大多数地区，加权平均资本成本±2 个百分点的偏差对电子甲醇生产成本的影响为 13-15%。加权平均资本成本的变化对总成本的影响在组件寿命较长的系统中相对较大。与 BCS 相比，在高成本情景(HCS)下，电解槽的资本支出和固定支出在 2020 年增加了 31%，2030、2040 和 2050 年的资本支出分别增加 56%、59% 和 60%。到 2030 年，HCS 将使电甲醇生产成本每吨甲醇增加 190-260 欧元。受影响最小的地区是那些 DAC FLh 较高和 LCOE 较低的地区。2050 年，HCS DAC 将使电子甲醇的生产成本每吨甲醇增加 10-40 欧元。
结论
结果表明，到 2030 年，除巴塔哥尼亚、北欧、西欧和美国北部外，全球大部分地区的供电成本优化配置将主要以光伏发电为主。如果加权平均资本成本为 7%，2020 年在最佳地点生产电子甲醇的最低成本为 1200-1500 欧元/tMeOH，大大高于过去十年 200-400 欧元/tMeOH的平均市场价格。2020 年代电甲醇的成本受到早期 DAC 高成本的严重影响。到 2030 年，最佳地区的电甲醇生产成本将降至 600-680 欧元/吨甲醇，这在各大洲都可以实现，并接近近年来欧洲甲醇市场的最高价格。到 2040 年，电甲醇生产成本将降至 390-430 欧元/吨甲醇，其中阿塔卡马沙漠是全球成本最低的地区。到 2050 年，各大洲的生产成本将降至 315-350 欧元/tMeOH，这使得电甲醇的生产成本远在目前的市场价格范围内，但高于在没有任何二氧化碳定价的情况下，天然气价格低于 7.5 美元/MBtu时的天然气甲醇生产成本。电甲醇的能源成本仍然高于电氨，但到 2050 年，这一差距将缩小到每兆瓦时 HHV 约 10 欧元。2030 年，电甲醇和电氨工厂整合后的余热利用也可将电甲醇的成本降低 20-40 欧元/tMeOH，具体取决于电甲醇和电氨的地点和供应比例。到 2050 年，系统集成的效益将下降到每吨甲醇 2-18 欧元，仅占电子甲醇装置成本的 0.5%。敏感性分析表明，2030 年的电甲醇生产成本主要受空气直接捕集技术发展速度放缓的影响，其次是地区加权平均资本成本，以及电解槽成本增加。到 2040 年，电甲醇的规模化生产将具有成本效益，从而使其成为化工行业化石能源化的关键原料。
