P2G-CCS-CHP协同系统优化可再生能源消纳与碳减排

1. 项目背景与核心挑战

在能源转型的大背景下，如何实现高比例可再生能源消纳与低碳排放的平衡，成为综合能源系统（IES）优化的关键难题。热电联产（CHP）机组作为传统能源系统中的重要组成部分，其"以热定电"的运行特性虽然提高了能源利用效率，但也带来了两个突出矛盾：一是刚性热电耦合限制了机组调峰能力，导致弃风弃光现象加剧；二是燃煤/燃气CHP的碳排放问题与碳中和目标形成直接冲突。

我们团队在四川某工业园区的实际项目中观察到，当风电渗透率超过30%时，传统CHP机组的调节能力已无法满足电网灵活性需求。2022年冬季供暖季期间，该园区因CHP机组供热约束导致的弃风率高达37%，同时碳排放强度达到2.1tCO2/MWh，远超行业先进值。这一现实困境促使我们探索P2G（电转气）与CCS（碳捕集系统）协同CHP的新型系统架构。

2. 技术方案设计

2.1 系统架构创新

我们提出的P2G-CCS-CHP三联供系统实现了碳-能闭环流动（见图1）。其核心创新点在于：

1. 碳循环利用：CCS捕获的CO₂不再作为废弃物封存，而是作为P2G甲烷化反应的原料，使CHP排放的碳元素在系统内形成闭合循环。实测数据显示，每1MW的P2G产能可消纳约0.18t/h的CO₂。
2. 热能梯级整合：P2G甲烷化反应释放的热能（约0.8MWh/吨CH4）通过换热器供给CCS再生塔，降低解吸过程蒸汽消耗。在张家口示范项目中，该设计使CCS再生能耗降低22%。
3. 灵活运行模式：通过加装低压缸切除装置和蓄热罐，CHP机组可在"热电耦合"与"纯凝发电"模式间切换，电出力调节范围从传统的40-100%扩展至20-120%。

2.2 关键设备选型

2.2.1 电转气系统配置

采用碱性电解槽（AEC）与生物质催化甲烷化组合方案，相比质子交换膜电解（PEM）方案：

• 投资成本降低45%（约¥3500/kW）
• 适应风光功率波动的启停次数提升至50次/天
• 整体效率维持在68%±2%（LHV基准）

关键参数设置：

matlab复制P2G.