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超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電是當代能源領(lǐng)域待突破的前沿技術(shù)，該技術(shù)一旦大規(guī)模應用將改變世界能源的利用方式，特別是采用半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)，在使用化石能源如天然氣、煤制氣、煤層氣，或生物質(zhì)氣如填埋氣、沼氣等與氧氣混合發(fā)電過程中可全部回收二氧化碳，最終實現(xiàn)零碳排放發(fā)電。客觀說，該技術(shù)對減少大氣二氧化碳排放和改變溫室效應具有重大意義。如采用可再生能源如風能、太陽能制取氫氣，并同二氧化碳加氫甲烷化技術(shù)嫁接，不僅可以解決風能、太陽能不可控、不穩(wěn)定、不連續(xù)的問題，而且可實現(xiàn)可再生能源循環(huán)發(fā)電，意義非凡。

本文淺要介紹了純氧燃燒超臨界二氧化碳熱發(fā)電和二氧化碳加氫甲烷化技術(shù)，最主要的是探討光熱發(fā)電與純氧燃燒超臨界二氧化碳發(fā)電技術(shù)的結(jié)合，也即與氫能的結(jié)合，或許這一結(jié)合可以使光熱發(fā)電大放異彩。

一、CO₂加氫甲烷化

CO₂加氫甲烷化反應是由法國化學家保羅·薩巴蒂埃(Paul Sabatier)在1902年提出，之后他又提出利用太陽能制氫和CO₂催化加氫反應生成甲烷CH₄，再作為能源消耗再次生成CO₂循環(huán)利用的設(shè)想。

他所提出的設(shè)想其實就是用可再生能源電力電解水制氫，再通過二氧化碳加氫甲烷化來實現(xiàn)可再生能源與氫能的高度融合。特別是作為燃料存儲甲烷氣，和光熱發(fā)電存儲熱能用于熱發(fā)電有異曲同工之妙。上世紀末日本專家擬踐行法國科學家保羅·薩巴蒂埃的甲烷循環(huán)發(fā)電技術(shù)，主張利用純氧混合燃燒甲烷技術(shù)驅(qū)動燃氣發(fā)電設(shè)備發(fā)電，產(chǎn)生的二氧化碳加氫甲烷化再制取甲烷，如此循環(huán)往復實現(xiàn)用可再生能源無碳排放發(fā)電。他們根據(jù)該設(shè)想曾提出建立“全球二氧化碳循環(huán)策略系統(tǒng)”，日本東北大學為此專門做過簡單的循環(huán)實驗，以驗證該理論(圖1所示)。

但是該設(shè)想歷經(jīng)百年，真正為此探索的工程性試驗項目鮮有實施。其中遇到的最主要的問題是二氧化碳如何獲得，這已然成為一個難解課題。目前從燃氣發(fā)電或燃煤發(fā)電排氣中進行碳捕獲即CCS技術(shù)的成本依然很高，因此制約著二氧化碳甲烷化技術(shù)的推廣。我國在煤制氣直接二氧化碳加氫反應制取甲烷、甲醇技術(shù)已經(jīng)工業(yè)化，所需氧氣通過空分機組獲得，因此推廣二氧化碳加氫甲烷化技術(shù)并不是一件難事。

圖1：日本東北大學1996年搭建的太陽能電解制氫制甲烷純氧燃燒循環(huán)試驗裝置

二、半閉式超臨界二氧化碳純氧燃氣布雷頓熱發(fā)電

布雷頓循環(huán)與朗肯循環(huán)不同，它可以分為開式、閉式和半閉式三種運行模式。開式布雷頓循環(huán)如航空燃氣發(fā)動機、發(fā)電用的燃氣輪機；其次是閉式布雷頓循環(huán)，使用體外熱源驅(qū)動布雷頓循環(huán)機組運行，由于沒有了將水轉(zhuǎn)化蒸汽的熱能損失，因此熱循環(huán)效率遠高于朗肯蒸汽循環(huán)。

目前美國正在實施的Sun Shot計劃正在為第三代太陽能熱發(fā)電技術(shù)使用該技術(shù)進行前期開發(fā)，預計2020年10兆瓦機組將投入運行；在歐盟支持下，法國電力、德國西門子等企業(yè)也加大研發(fā)力度；我國包括中科院工程熱物理所和西安熱工研究院等已經(jīng)取得階段性研究成果；再次就是半閉式布雷頓循環(huán)，美國專利US3134228和US37367452(如圖2所示)較早揭示半閉式超臨界二氧化碳純氧燃氣布雷頓熱發(fā)電技術(shù)，發(fā)明人為美國海軍部的科學家，其開發(fā)的應用場景均為潛艇，為盡快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，美國政府準許美國企業(yè)免費使用該技術(shù)。

半閉式超臨界二氧化碳純氧燃氣布雷頓熱發(fā)電技術(shù)在我國煤制氣和煤轉(zhuǎn)化汽油技術(shù)中有所提及，但熱能領(lǐng)域給予的關(guān)注度比較低。

圖2：美國專利US3736745

自從國際社會倡導減少燃煤或燃氣電廠二氧化碳和氮氧化物排放以來，零排放純氧燃氣發(fā)電技術(shù)也即半閉式超臨界二氧化碳布雷頓燃氣熱發(fā)電技術(shù)得到進一步開發(fā)，例如奧地利格拉茨理工大學提出的“格拉茨循環(huán)”模式(圖3)，美國清潔能源公司CES提出的DSG模式(圖4)，相同點都力求將半閉式超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)和蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電加以結(jié)合，擬實現(xiàn)高達70%的熱循環(huán)效率，雖然這些技術(shù)都進行過小規(guī)模驗證，但商業(yè)開發(fā)未獲進展。近期美國八河流公司聲稱采用“阿拉姆循環(huán)”模式可實現(xiàn)零排放燃氣發(fā)電(圖5)，目前一個規(guī)模為25兆瓦的中試項目已在美國德克薩斯州拉博德市建立。

據(jù)說2020年運行，該電站收集的二氧化碳主要用于附近油田加注，以提高和延長油井壽命。2018年初美國麻省理工學院將該技術(shù)列為年度十大發(fā)明之一，認為該技術(shù)有可能改變世界能源格局。特別值得關(guān)注的是該企業(yè)相關(guān)專利已在我國獲授權(quán)。

所謂半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)的主要特點在于動力熱源引入空氣或純氧作助燃劑，與天然氣混合燃燒，同時選擇超臨界二氧化碳氣做動力介質(zhì)，因系統(tǒng)運行溫度高，發(fā)電效率可提升至58%；最突出的特點是排出物不含氮氧化物，只有水和二氧化碳，而且經(jīng)汽水分離可全部回收并加以利用。如果采用聯(lián)合朗肯循環(huán)熱效率可達70%以上。

圖3：“格拉茨循環(huán)”純氧燃燒原理圖

圖4：CES循環(huán)純氧燃燒原理圖

圖5：阿拉姆循環(huán)純氧燃燒示意圖

三、可再生能源與氫結(jié)合，追夢“終極能源”

可再生能源與氫能結(jié)合的最佳途徑就是通過風電或太陽能發(fā)電電解水制取氫氣，但氫氣不宜存儲和運輸，如果實時將其制成甲烷或甲醇，就可以采用常規(guī)技術(shù)儲運，或通過燃氣發(fā)電直接通過電網(wǎng)傳輸電力。因此，結(jié)合半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)為二氧化碳加氫甲烷化提供可靠的碳源，將二氧化碳加氫甲烷化制備并存儲，電解水制氫產(chǎn)出的氧氣則與甲烷氣以及補熱加壓后的二氧化碳氣混合燃燒，驅(qū)動半閉式布雷頓機組持續(xù)發(fā)電，最終實現(xiàn)可再生能源零碳排放循環(huán)發(fā)電。

光熱發(fā)電與半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合具有先天優(yōu)勢，光熱發(fā)電通過規(guī)模熱儲能可向電網(wǎng)提供穩(wěn)定電力，一旦將波動性較大的風電和光伏發(fā)電用于制氫，或通過電制熱規(guī)?；鎯?，即可實現(xiàn)光熱發(fā)電人工可控、可管理、可干預的連續(xù)發(fā)電。

根據(jù)光熱發(fā)電聚光模式與半閉式超臨界二氧化碳布雷頓熱發(fā)電結(jié)合有兩種選擇：

1、借助塔式懸浮粒子的高溫特性(溫度須在700度以上)，結(jié)合半閉式超臨界二氧化碳布雷頓純氧燃氣發(fā)電優(yōu)勢，利用太陽能和風能電解制氫，借助二氧化碳加氫甲烷化儲能，即可開辟光熱發(fā)電儲能新途徑。該設(shè)想擬在光照條件好時采用塔式懸浮粒子電站獲得的高溫熱能驅(qū)動閉式超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電，在光照條件不好或無光照是時則采用純氧燃氣半閉式超臨界二氧化碳發(fā)電進行循環(huán)，分離出的二氧化碳與氫結(jié)合進行甲烷化制備，分離出的水做鏡場定日鏡清洗用水。如圖6所示：

圖6：塔式懸浮粒子電站與純氧燃氣布雷頓熱發(fā)電互補示意圖

塔式懸浮粒子光熱發(fā)電與半閉式超臨界二氧化碳燃氣布雷頓熱發(fā)電進行互補，同時聯(lián)合風電等電解水制氫，輔之二氧化碳加氫甲烷化制備，甲烷純氧燃燒混合超臨界二氧化碳循環(huán)熱發(fā)電，或可開辟光熱發(fā)電儲能新紀元。

2、槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前最為成熟的光熱發(fā)電技術(shù)，如將槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)有機嫁接在半閉式超臨界二氧化碳燃氣布雷頓熱發(fā)電系統(tǒng)中(圖7)，通過互補儲熱循環(huán)發(fā)電以規(guī)避太陽能熱發(fā)電不穩(wěn)定不連續(xù)的先天缺陷，同時利用純氧燃氣發(fā)電產(chǎn)生的水進行電解制氫制氧，汽水分離出的二氧化碳除用作動力工質(zhì)外，其余部分進行加氫甲烷化制備，并將制備的甲烷氣進行存儲，而利用可再生能源電解水制氫獲得的氧氣用于系統(tǒng)自身的純氧燃氣布雷頓高效發(fā)電。

系統(tǒng)冷凝產(chǎn)生的水和加氫甲烷化產(chǎn)生的水存儲之后將直接提供給槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)作蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電使用，多余的水作清洗聚光鏡用水。據(jù)國外測算，不含甲烷制備產(chǎn)生的水，僅550兆瓦電站就可產(chǎn)生1.8億加侖水，由此可能導致光熱發(fā)電站站址選擇將不再受水源地限制。

顯然，接收風電、光伏電力進行電解水制氫是一種高效的儲能方式，特別是通過燃氣與光熱發(fā)電互補，可有效增加光熱發(fā)電時數(shù)，提高光熱轉(zhuǎn)換效率，增強光熱發(fā)電技術(shù)的環(huán)境適應能力，降低單位發(fā)電成本，提升光熱發(fā)電站參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰能力。

圖7：槽式太陽能與風能和燃氣互補制氫制甲烷循環(huán)熱發(fā)電示意圖

總之，當人們把目光聚焦在氫能的開發(fā)和利用時，氫能幾乎成了“終極能源”的代名詞，其實，氫能和電能一樣屬于二次能源，只有將可再生能源與氫能有機結(jié)合，才能最終展現(xiàn)其“終極能源”的魅力。