电力合成燃料在德国电力市场未来成本的综合分析
宋鹏翔，杜兆龙，徐桂芝，邓占锋
（全球能源互联网研究院有限公司，北京昌平 102209）
摘 要： 介绍了利用可再生能源发电用于合成甲烷与液体燃料的相关研究方法论与分析场景，在未来的低碳能源体系中，采用可再生电力生产的合成燃料将成为新能源消纳的重要补充形式。最近，人们对大规模使用成本大幅降低的合成燃料表现出日趋浓厚的兴趣。其中，对于假设条件可为上述预计成本的降低提供支持，为了提高未来讨论的真实性，分析合成燃料的成本降低途径，并在德国国内和国外调查生产合成燃料所需的可再生电力的有利发电地点。主要对电力合成燃料在德国电力市场未来成本进行了综合分析。
关键词： 合成燃料；开关膜；成本
德国许多经济部门都依赖于化石燃料。德国运输与供热部门对石油的依赖性特别强，石油对于工业部门中的非能源用途也十分重要。道路运输是石油消耗量最大的一个分支部门。天然气的首要用途是供热和发电。德国计划在2030年前实现温室气体减排55%的目标（与1990年的排放水平相比）。此外，德国还希望在2050年前实现温室气体减排80%～95%的目标。2016年经联邦政府协商通过的“2050年气候保护计划”是德国第一个为各个经济部门设定减排目标的政策。气候保护计划特别要求建筑部门在2030年前实现将二氧化碳当量从2014年的1.19亿t降低至7 000～7 200万t的减排目标。对于运输部门，在2030年前，排放量需从2014年的1.6亿t二氧化碳当量降低至9 500～9 800万t。在2030年前实现这些减排目标的最重要政策措施包括提升能效、实现建筑和交通部门的电气化、提升可再生能源在电源结构中的份额、减少诸如煤和石油等碳密集型能源的使用。
1 研究背景、目的与重点
1.1 背景
德国政府的目标是，在2050年前，将二氧化碳排放量在1990年的基础上减少80%～95%。只有所有经济部门（包括供热和运输部门）共同减少二氧化碳排放量，才能实现这一目标。供热和运输部门的其中一个脱碳方案就是，依赖于可再生电力制造的合成燃料，包括氢气、合成甲烷、甲醇、汽油和柴油。这种方法的一个关键优势在于，从其他国家进口合成燃料相对容易，因而可以通过这种方式间接进口可再生能源电力。这将促进利用非常有利的位置（即拥有大量风能和太阳能资源的位置）进行可再生能源发电。因此，合成燃料生产成本低于德国国内的生产成本。在国外生产也可以解决国内可再生能源发电装置（比如风力涡轮机）可用场地减少的问题。
1.2 目的
本研究的重点在于合成甲烷与合成液体燃料进口费用。为了比较，本研究还针对北海和波罗的海海上风力涡轮机生产此类燃料的费用进行了估算。本文就对该研究的结论进行详细介绍。
1.3 研究重点
目前，在德国供热与运输部门长期彻底脱碳方面，考虑了两个基本策略。然而，也可以结合使用这两个策略：
（1）可以通过实现供热和运输部门的直接电气化（如使用电动供热系统和电动车辆）来实现脱碳目标。
道家对道的体悟开始于这样一个永恒的难题:人如何为这个世界的存在给出说明?道家认为，在世界之中寻找世界的存在根据必然会陷入无穷的因果链条，于世界之外寻求则无法超越神创论的思路，因此世间万物的根据只能是既不在世界之中又不在世界之外，而是与此世界及其万物浑然一体而成为全体，“道家……的起点和终点都是混沌的全体”⑨，“道家完全抛弃了有理智、有目的的天的观念，而代之以追求与浑沌的整体达到神秘的合一”⑩。对于此整体，人“未知其名”，只能勉强给它一个名称，“字之曰道”(《帛书老子·第二十五章》)。⑪
2007年前，中国经历着每月外汇储备数十亿美元的增长。如何利用过剩的外汇储备谋求更长远、更高的收益，时任财政部副部长楼继伟提出了建立独立的国家外汇投资公司的建议，即最终成立的中投公司，旨在对外进行外汇储备的多元化投资。
供热和运输部门直接电气化便于直接使用可再生电力来满足供热和运输部门的供热和运输能源需求。这种方法的优点在于不需要将电力转换为另一种类型的能源。这种能源的转化造成大量转换损失。另外一个优点在于许多以电力技术的效率都很高，比如热泵。这种方法的缺点在于电力输送、配送，尤其是存储方面存在损耗。而且，除新可再生能源发电能力产生费用之外，要实现广泛的电气化，需要对额外的输电网、配电网和储电基础设施进行大量投资。
本研究的重点在于采用进口合成燃料来满足供热和运输部门需求这一方案。从长期来看，如果德国境内生产的可再生能源供不应求，进口合成燃料将成为能源转型的重要要素。这是一个明显的风险。因为，根据对加强能源部门间整合的影响进行预测的模型，对可再生电力的需求非常高。合成燃料进口也将促进利用非常有利的位置（即拥有大量风能和太阳能资源的位置）进行可再生能源发电。与在德国境内生产相比，这将降低合成燃料的生产成本。
本研究的目的在于对2050年前合成燃料进口费用进行估算。重点讨论合成甲烷与合成液体燃料进口费用。成本估算以现有文献分析、与专家探讨和我们自己的指示性成本假设为基础。应该注意的是，文献中提及以及专家们探讨的具体技术的成本估算之间存在重大差异。比如，在过去几年里，PEMEC电解成本大幅度降低。这意味着几年前发布的研究数据可能已过时。因此，本研究根据三个情景提供成本范围：乐观情景、悲观情景和基准情景。
2 合成甲烷与合成液体燃料生产价值链
合成甲烷与合成液体燃料生产的初衷在于发电。氢气是水电解而成，释放出副产物氧气。在第二个转换步骤中，输入氢气和二氧化碳，以合成甲烷（通过甲烷化反应）或合成液体燃料（通过费托合成或甲醇合成）。
式中：Q为填埋场的沼气产量（m3/a）；L0i为填埋场的沼气产生潜力（m3/t）；Ri为填埋场的年平均垃圾接收量（t/a）；ki为填埋场沼气的产生速率常数（1/a）；ti为第i年填埋废物从填埋到计算时的时间（a）。
2.1 六种不同的发电场地/技术方案
在北非和中东等干旱地区，必须确保电解所需水来自海水淡化装置，而非现有供水。
（2）冰岛的地热/水电；
发电成本占据合成甲烷与合成液体燃料总成本相当大的比例。2020年，发电成本是迄今为止最大的成本要素。尽管认为可再生能源投资成本降低，因而预计到2050年，发电成本会降低。但是在2050年，发电成本仍然占总成本相当大的比例。发电成本对合成甲烷与合成液体燃料成本产生重大影响。这可以归因于电解制氢、甲烷化和甲醇合成或费托合成反应期间发生的转换损失。
原产国内发出的用于燃料生产的可再生能源发电量是补充，还是取代用于其他目的的可再生能源发电量。
（4）北非的混合光电/陆上风电；
（5）中东的光电；
（6）中东的混合光电/陆上风电。
增加具有广阔发展前景、与视觉传达设计息息相关的专业课程，如UI设计、电子商务设计和新媒体广告创意等，拓宽毕业生的择业广度，增强就业竞争优势。以UI设计为例，随着智能化电子产品的普及，UI设计已经成了当前最热门的设计领域。国内很多从事手机软件与网站开发相关的企业和公司都设立了UI设计部门，专业的UI设计工作室也应运而生。目前，国内大多数高校的视觉传达设计专业都并未开设该课程，人才供求矛盾突出，使得UI设计课程的开设已成大势所趋。
成本估算假设从空气（直接空气捕获）中提取甲烷化或合成液体燃料生产所需的二氧化碳。在该研究中，假设大规模修建转换装置，专门用于将合成燃料出口到德国。鉴于北海和波罗的海海上风力涡轮机，明确将转换装置的投资成本考虑在内，而非仅考虑短期边际成本[即本研究并不假设使用系统内过剩的电力（盈余电力）进行合成燃料生产]。
随着时间的推移，合成甲烷/合成液体燃料成本大幅下降。如图1和图2所示。
图1 进口合成甲烷总成本（无上网电价和配送成本）（欧分2017/kWh甲烷）
图2 进口合成液体燃料总成本（无上网电价和配送成本）（欧分2017/kWh电制液）
成本下降的主要驱动因素在于，在规模经济和学习效应的影响下，认为可再生能源发电装置和转换装置投资成本将下降。随着时间的推移，电解制氢效率会提高。估算的成本降低意味着，从中长期来看，合成燃料成本将接近于化石燃料成本。
随着时间的推移，场地与技术方案成本将趋同。光伏发电装置和海上风力涡轮机投资成本的下降幅度将远大于陆上风电、地热和水电等现有技术的投资成本。合成燃料成本的基本驱动因素——发电成本。如图3所示。
2.1 血细胞分析及镜检结果分析 根据表1可知，治疗前血红蛋白值与疟原虫密度呈一定的线性关系；血细胞五分类统计所有感染者未见明显血小板（PLT）降低，两组白细胞（WBC）红细胞（RBC）值对比，差异无统计学意义（P＞0.05，χ2=0.087）； 而在血红蛋白（HGB）和平均红细胞压积（MCV）上相比，差异有统计学意义（P＜0.05，t=4.253、2.795），有统计学意义。
目前国内许多城市，如北京、上海、广州、杭州开始主动设计游学项目，结合本地、本校实际情况开展特色活动。2015“上海暑期学校”吸引了来自世界上百个国家和地区的650多名外国学生，7年时间人数猛增了26倍。部分大学也相继开设知识及体验课程，编写教材，制作视频课件，效果很好。如上海外国语大学、中国传媒大学、浙江大学城市学院等，均有成功案例。
四要全面推进节水型社会建设，突出抓好工业、农业、城市生活等领域的节水防污，搞好废污水处理回用、雨水集蓄利用、海水直接利用与淡化利用。
转换装置使用率和投资成本也成为重大成本驱动因素。如图4所示。
图3 基准情景中北非（光电）和北海和波罗的海（海上风电）合成甲烷生成与运输成本比较（欧分2017/kWh甲烷）
图4 转换装置负荷系数和投资成本对转换成本产生的影响（电解制氢与甲烷化反应的典型值）
2.2.2 空间的可持续利用
二氧化碳的获得成本：氢气制合成甲烷与合成液体燃料需要的二氧化碳可从各种来源获得，包括生物质、工业过程、地热钻孔，但也可从空气中直接捕获。获得成本差距很大，取决于二氧化碳的来源。在成本估算中，假设从各国空气中提取所需二氧化碳。因此，估算基于具有最高相对成本但也是最可能大规模使用的方法。直接空气捕获也符合二氧化碳闭式循环的可持续性要求。可持续性方面若要进口合成燃料，以在德国实现此类合成燃料的减排目标，那么，原产国内此类合成燃料的生产必须符合特定可持续性标准。就这一点而言，以下可持续性方面相当重要。
2.2 可再生能源发电增加量
2.2.1 增加量需要考虑以下问题
（3）北非的光电；
它们是继发电成本后第二重要的成本要素。
另外一项可持续性标准指的是土地的竞争性使用，例如，用于修建可再生能源发电装置和转换设施。就这一点而言，要特别关注粮食生产与森林面积被占用的问题。但是，在北非和中东等极为干旱的地区，并不是个大问题。需要专门根据每个关心的场所/国家，对各种土地用途之间的竞争程度进行研究。
Fig. 11 shows the simulation results of static current curve, indicating that the static power consumption is 29.5 pA with the 1.8 V supply voltage. It is low enough to be considered as zero static power consumption.
2.2.3 生产国内的可持续经济发展
在某些情况下，要求实施二氧化碳减排措施，鼓励生产国谋求可持续经济发展。在可再生能源和合成燃料生产技术方面进行投资，可能会对经济发展有积极影响。目前某些国家很大比例的国民收入来自化石燃料出口，同时有巨大可再生能源潜力。这些国家可能对这两方面的投资特别感兴趣。但是，必须确保出口的合成燃料真正由可再生能源生产，比如，通过引进认证体系进行生产。
2.2.4 不得将现有供水用于干旱区
（1）北海和波罗的海海上风电（用作合成燃料进口潜在成本优势评估的基准点）；
（2）可以使用由可再生电力产生的合成燃料（如氢气、合成甲烷或甲醇等合成气体燃料以及合成汽油和柴油等合成液体燃料）来实现脱碳目标。
2.2.5 二氧化碳闭式循环
临床路径（Clinical Pathway，CP）是指一套标准化治疗模式与治疗程序，以循证医学证据和指南为指导来促进治疗组织和疾病管理的方法，最终起到规范医疗行为和提高质量的作用。将CP理念引入临床教学，称之为临床路径式教学法[1，2]。本文就临床路径式教学法在住院医师规范化培训心血管外科疾病诊治中的应用特点和意义等进行论述。
若要建立二氧化碳闭式循环，则必须从空气、生物质或生物气中捕获二氧化碳。在成本估算中，假设从各国空气中提取所需二氧化碳。
3 结束语
根据价值链对合成燃料进口成本进行估算。
3.1 发电
首先对2050年前的选定技术和场地方案相关发电成本进行估算。
这里，我们教师从学生感兴趣的故事情景着手，让学生从故事中体验依次不断地重复、无限和循环的数学思想，突破了教学的难点，有效地增进了课堂教学效果。可见，故事的作用在于使问题更接近学生的心理，调动学生的积极性，起到了“引见以语，导以行”的作用。
3.2 转换
对转换成本进行估算。转换成本即通过电解制氢、甲烷化、甲醇或费托合成，将电力转换为合成燃料的相关成本。
3.3 运输
除发电与转换成本之外，还必须考虑将合成燃料运输到德国所产生的成本。
3.4 混合/配送
若要确定终端用户层面的成本，则必须考虑上网电价和配送成本。而且，如果将合成燃料用作化石天然气或液体燃料的添加剂，则对客户层面的成本而言，必须考虑混合比例。
1.2.1 问卷调查 问卷调查名称为《甲状腺疾病和糖尿病全国调查-2014(TIDE)》，问卷调查内容包括研究对象的一般资料(姓名、年龄、民族、文化程度、职业、收入、生育史、吸烟、饮酒史)、碘营养状况(食盐来源、进食盐习惯、进食海带、紫菜情况、是否服用含碘药物、3个月内接受造影剂检查情况)、疾病史及家族史(甲状腺病史、甲状腺疾病家族史、糖尿病病史、糖尿病家族史、糖尿病并发症、高血压病史、高脂血症病史、高尿酸血症病史)。采用整体分层抽样调查法，发放问卷1 464份，收集问卷1 430份,有效回收率为97.68%。
根据投资成本、运营成本以及随着时间的流逝，在特定预期技术进步的情况下出现的效率改进进行转换成本估算。在根据文献和现有市场趋势，对可再生能源投资成本和装置负荷系数进行估算的同时，对发电成本进行评估的过程中，也将前述因素纳入考虑范围。
参考文献
[1] Wang W，Yang X，Fang Y，etal. Preparation and Thermal Properties of Polyethylene Glycol/Expanded Graphite Blends for Energy Storage[J]. Appl.Energy，2009，86，1479-1483.
[2] Fang G，Li H，Chen Z，etal. Preparation and Characterization of Stearic Acid/Expanded Graphite Composites as Thermal Energy Storage Materials[J]. Energy，2010，35，4622-4626.
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Comprehensive Analysis of Future Cost of Synthetic fuel in German Power Market
Song Peng-xiang ，Du Zhao-long ，Xu Gui-zhi ，Deng Zhan-feng
Abstract： This paper introduces the research methodology and analysis scenarios of using renewable energy to generate electricity for the synthesis of methane and liquid fuel. In the future low-carbon energy system，synthetic fuel produced by renewable electricity will become an important supplement to new energy consumption. form. Recently，there has been an increasing interest in synthetic fuels with large-scale use costs. Among them，the assumptions can support the reduction of the above-mentioned estimated costs，in order to improve the authenticity of future discussions，analyze the cost reduction path of synthetic fuels，and investigate the favorable power generation of renewable electricity required for the production of synthetic fuels in Germany and abroad. location. It mainly analyzes the future cost of electric synthetic fuel in the German electricity market.
Key words： synthetic fuel；switchingfilm；cost
中图分类号： TQ 028.8
文献标志码： A
文章编号： 1003-6490（2019）09-0207-03
收稿日期： 2019-07-11
基金项目： 国家电网有限公司纵向科技项目（SGRI-DL-71-16-016）
作者简介： 宋鹏翔（198—），男，山西大同人，高级工程师，主要从事新型储能与能源转化技术工作。
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