电氢耦合有助于脱碳路径整体优化

电力和氢能供应链基础设施的协同优化有利于减排和降低成本

□ 实习记者 吴 昊

麻省理工学院的一项最新研究发现,电力和氢能供应链基础设施的协同优化,有利于减排和降低基础设施成本。

当前,世界各国政府和企业都在增加对氢能研发的投资,越来越认识到氢在实现全球能源系统脱碳目标方面可以发挥重要作用。由于氢质轻、能量密度高、可储存,并且在使用时不会直接产生二氧化碳排放,因此,研究人员认为,“这种多功能的能源载体可在未来的清洁能源系统中以多种方式加以利用。”

富有竞争力的减排新选项

研究人员指出,作为规模化储能的一种方式,氢已经引起关注,部分原因在于,人们预计未来电网将由风能和太阳能等波动性可再生能源主导,而水电解槽的成本将逐渐降低——这将使可再生能源制取的“绿氢”比化石燃料生产的氢气更具成本竞争力。同时,氢作为清洁能源燃料的多功能性,也使其成为满足能源需求,并且在难以直接电气化、难以脱碳的部门(如交通、建筑和工业)开辟减排途径的一个有吸引力的选项。

“我们已经看到了许多关于电力脱碳途径的进展,但我们无法实现所有终端用能的电气化。这意味着仅仅对电力供应进行脱碳是不够的,我们还必须制定其他脱碳的策略。”麻省理工学院能源倡议(MITEI)的科学家Dharik Mallapragada表示,“氢是一种值得探索的能源载体,但要了解氢的作用,需要我们研究电力系统和未来氢能供应链之间的相互作用。”

在最近发表于《能源与环境科学》杂志的一篇论文中,麻省理工学院和壳牌公司的研究人员提出了一个框架,以系统地研究氢基技术途径在未来低碳综合能源系统中的作用和影响,并考虑其与电网的相互作用以及能源需求和供应的时空变化。在各种不同排放价格的情景下,该框架使电力和氢能供应链的基础设施投资和运营得到了协同优化。当应用于美国东北部的一个案例研究时,研究人员发现这种方法可以在成本和减排方面带来了巨大的好处,因为它充分发掘了氢的潜力,在通过电解生产时为电力系统提供了一个大的灵活负载,同时也使难以通电的终端应用部门实现脱碳。

Dharik Mallapragada指出,“如果我们要真正了解直接电气化或其他脱碳战略的成本/收益,我们需要建立一个跨部门的框架来分析各个能源载体在多个系统中的经济和作用。”

电氢耦合效益优于传统氢储能

为了进行分析,该研究团队开发了低碳电-氢网络决策优化(DOLPHYN)模型,通过该模型可以研究氢在低碳能源系统中的作用,电力和氢能耦合的影响,以及跨越两条供应链的各种技术选择之间的权衡。壳牌公司研究员Heuberger Austin表示,“能够评估电力和新兴氢经济之间的系统级相互影响,对于推动技术发展和支持战略价值链决策至关重要,而DOLPHYN模型有助于解决此类问题。”

对于预定义的电力和氢能需求场景,该模型确定了电力和氢能行业中成本最低的技术组合,同时遵守各种运营和政策约束。该模型可以包含一系列技术选项——从间歇性可再生能源发电(VRE)到用于发电和制氢的碳捕获和储存(CCS),再到用于氢气运输的卡车和管道。凭借其灵活的结构,该模型可以很容易地进行调整,以显示新兴技术选择,并评估其对能源系统的长期价值。

为了测试这一模型,研究人员观察了在各种需求、技术和碳价格情景下美国东北部的能源系统。该地区目前有可再生能源的立法和政策支持,还有不断上升的减排目标,其中一些目标非常严格。它对能源供暖的需求也很高,这是一个难以电气化的行业,尤其可以从氢能以及电氢系统的耦合中获益。

研究人员发现,电力和氢能耦合相互作用,比传统的氢储能更为有利,因为传统的氢储能将氢转换回电力时,会带来额外的效率损失,即氢作为灵活需求来源的角色,比储能的角色更为有利。Dharik Mallapragada指出,“电力制氢在平衡电网方面提供的灵活性与用于其他终端脱碳的氢一样重要。”

研究人员还发现,与电力部门相比,在氢供应链中使用CCS更具成本效益。他们预计,到2020年代年结束时,电力部门的CCS项目将比用于制氢的项目多6倍——表明在规划未来能源系统时,需要更多的跨部门耦合。

“除非采取全面的方法,否则无法实现气候目标。”麻省理工学院一位科学家指出,“二氧化碳减排是一个系统问题,有些行业无法通过电气化脱碳,有些行业无法通过碳捕获技术脱碳。如果把所有问题放在一起考虑,就会得到一个协同解决方案,从而显著降低基础设施成本。”

往期电子报>>