電力和氫能供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同優(yōu)化有利于減排和降低成本

□ 實習(xí)記者 吳 昊

麻省理工學(xué)院的一項最新研究發(fā)現(xiàn)，電力和氫能供應(yīng)鏈基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同優(yōu)化，有利于減排和降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。

當(dāng)前，世界各國政府和企業(yè)都在增加對氫能研發(fā)的投資，越來越認(rèn)識到氫在實現(xiàn)全球能源系統(tǒng)脫碳目標(biāo)方面可以發(fā)揮重要作用。由于氫質(zhì)輕、能量密度高、可儲存，并且在使用時不會直接產(chǎn)生二氧化碳排放，因此，研究人員認(rèn)為，“這種多功能的能源載體可在未來的清潔能源系統(tǒng)中以多種方式加以利用。”

富有競爭力的減排新選項

研究人員指出，作為規(guī)?；瘍δ艿囊环N方式，氫已經(jīng)引起關(guān)注，部分原因在于，人們預(yù)計未來電網(wǎng)將由風(fēng)能和太陽能等波動性可再生能源主導(dǎo)，而水電解槽的成本將逐漸降低——這將使可再生能源制取的“綠氫”比化石燃料生產(chǎn)的氫氣更具成本競爭力。同時，氫作為清潔能源燃料的多功能性，也使其成為滿足能源需求，并且在難以直接電氣化、難以脫碳的部門（如交通、建筑和工業(yè)）開辟減排途徑的一個有吸引力的選項。

“我們已經(jīng)看到了許多關(guān)于電力脫碳途徑的進展，但我們無法實現(xiàn)所有終端用能的電氣化。這意味著僅僅對電力供應(yīng)進行脫碳是不夠的，我們還必須制定其他脫碳的策略。”麻省理工學(xué)院能源倡議（MITEI）的科學(xué)家Dharik Mallapragada表示，“氫是一種值得探索的能源載體，但要了解氫的作用，需要我們研究電力系統(tǒng)和未來氫能供應(yīng)鏈之間的相互作用。”

在最近發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志的一篇論文中，麻省理工學(xué)院和殼牌公司的研究人員提出了一個框架，以系統(tǒng)地研究氫基技術(shù)途徑在未來低碳綜合能源系統(tǒng)中的作用和影響，并考慮其與電網(wǎng)的相互作用以及能源需求和供應(yīng)的時空變化。在各種不同排放價格的情景下，該框架使電力和氫能供應(yīng)鏈的基礎(chǔ)設(shè)施投資和運營得到了協(xié)同優(yōu)化。當(dāng)應(yīng)用于美國東北部的一個案例研究時，研究人員發(fā)現(xiàn)這種方法可以在成本和減排方面帶來了巨大的好處，因為它充分發(fā)掘了氫的潛力，在通過電解生產(chǎn)時為電力系統(tǒng)提供了一個大的靈活負(fù)載，同時也使難以通電的終端應(yīng)用部門實現(xiàn)脫碳。

Dharik Mallapragada指出，“如果我們要真正了解直接電氣化或其他脫碳戰(zhàn)略的成本/收益，我們需要建立一個跨部門的框架來分析各個能源載體在多個系統(tǒng)中的經(jīng)濟和作用。”

電氫耦合效益優(yōu)于傳統(tǒng)氫儲能

為了進行分析，該研究團隊開發(fā)了低碳電-氫網(wǎng)絡(luò)決策優(yōu)化（DOLPHYN）模型，通過該模型可以研究氫在低碳能源系統(tǒng)中的作用，電力和氫能耦合的影響，以及跨越兩條供應(yīng)鏈的各種技術(shù)選擇之間的權(quán)衡。殼牌公司研究員Heuberger Austin表示，“能夠評估電力和新興氫經(jīng)濟之間的系統(tǒng)級相互影響，對于推動技術(shù)發(fā)展和支持戰(zhàn)略價值鏈決策至關(guān)重要，而DOLPHYN模型有助于解決此類問題。”

對于預(yù)定義的電力和氫能需求場景，該模型確定了電力和氫能行業(yè)中成本最低的技術(shù)組合，同時遵守各種運營和政策約束。該模型可以包含一系列技術(shù)選項——從間歇性可再生能源發(fā)電（VRE）到用于發(fā)電和制氫的碳捕獲和儲存（CCS），再到用于氫氣運輸?shù)目ㄜ嚭凸艿?。憑借其靈活的結(jié)構(gòu)，該模型可以很容易地進行調(diào)整，以顯示新興技術(shù)選擇，并評估其對能源系統(tǒng)的長期價值。

為了測試這一模型，研究人員觀察了在各種需求、技術(shù)和碳價格情景下美國東北部的能源系統(tǒng)。該地區(qū)目前有可再生能源的立法和政策支持，還有不斷上升的減排目標(biāo)，其中一些目標(biāo)非常嚴(yán)格。它對能源供暖的需求也很高，這是一個難以電氣化的行業(yè)，尤其可以從氫能以及電氫系統(tǒng)的耦合中獲益。

研究人員發(fā)現(xiàn)，電力和氫能耦合相互作用，比傳統(tǒng)的氫儲能更為有利，因為傳統(tǒng)的氫儲能將氫轉(zhuǎn)換回電力時，會帶來額外的效率損失，即氫作為靈活需求來源的角色，比儲能的角色更為有利。Dharik Mallapragada指出，“電力制氫在平衡電網(wǎng)方面提供的靈活性與用于其他終端脫碳的氫一樣重要。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，與電力部門相比，在氫供應(yīng)鏈中使用CCS更具成本效益。他們預(yù)計，到2020年代年結(jié)束時，電力部門的CCS項目將比用于制氫的項目多6倍——表明在規(guī)劃未來能源系統(tǒng)時，需要更多的跨部門耦合。

“除非采取全面的方法，否則無法實現(xiàn)氣候目標(biāo)。”麻省理工學(xué)院一位科學(xué)家指出，“二氧化碳減排是一個系統(tǒng)問題，有些行業(yè)無法通過電氣化脫碳，有些行業(yè)無法通過碳捕獲技術(shù)脫碳。如果把所有問題放在一起考慮，就會得到一個協(xié)同解決方案，從而顯著降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。”