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(shí)習(xí)記者 吳 昊

麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)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(guó)政府和企業(yè)都在增加對(duì)氫能研發(fā)的投資，越來(lái)越認(rèn)識(shí)到氫在實(shí)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(chǔ)存，并且在使用時(shí)不會(huì)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(lái)的清潔能源系統(tǒng)中以多種方式加以利用。”

富有競(jìng)爭(zhēng)力的減排新選項(xiàng)

研究人員指出，作為規(guī)?；瘍?chǔ)能的一種方式，氫已經(jīng)引起關(guān)注，部分原因在于，人們預(yù)計(jì)未來(lái)電網(wǎng)將由風(fēng)能和太陽(yáng)能等波動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，氫作為清潔能源燃料的多功能性，也使其成為滿(mǎn)足能源需求，并且在難以直接電氣化、難以脫碳的部門(mén)（如交通、建筑和工業(yè)）開(kāi)辟減排途徑的一個(gè)有吸引力的選項(xiàng)。

“我們已經(jīng)看到了許多關(guān)于電力脫碳途徑的進(jìn)展，但我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)所有終端用能的電氣化。這意味著僅僅對(duì)電力供應(yīng)進(jìn)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(lái)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(gè)框架，以系統(tǒng)地研究氫基技術(shù)途徑在未來(lái)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(shí)空變化。在各種不同排放價(jià)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(yùn)營(yíng)得到了協(xié)同優(yōu)化。當(dāng)應(yīng)用于美國(guó)東北部的一個(gè)案例研究時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)這種方法可以在成本和減排方面帶來(lái)了巨大的好處，因?yàn)樗浞职l(fā)掘了氫的潛力，在通過(guò)電解生產(chǎn)時(shí)為電力系統(tǒng)提供了一個(gè)大的靈活負(fù)載，同時(shí)也使難以通電的終端應(yīng)用部門(mén)實(shí)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(gè)跨部門(mén)的框架來(lái)分析各個(gè)能源載體在多個(gè)系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)和作用。”

電氫耦合效益優(yōu)于傳統(tǒng)氫儲(chǔ)能

為了進(jìn)行分析，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了低碳電-氫網(wǎng)絡(luò)決策優(yōu)化（DOLPHYN）模型，通過(guò)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(píng)估電力和新興氫經(jīng)濟(jì)之間的系統(tǒng)級(jí)相互影響，對(duì)于推動(dòng)技術(shù)發(fā)展和支持戰(zhàn)略?xún)r(jià)值鏈決策至關(guān)重要，而DOLPHYN模型有助于解決此類(lèi)問(wèn)題。”

對(duì)于預(yù)定義的電力和氫能需求場(chǎng)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(shí)遵守各種運(yùn)營(yíng)和政策約束。該模型可以包含一系列技術(shù)選項(xiàng)——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(chǔ)存（CCS），再到用于氫氣運(yùn)輸?shù)目ㄜ?chē)和管道。憑借其靈活的結(jié)構(gòu)，該模型可以很容易地進(jìn)行調(diào)整，以顯示新興技術(shù)選擇，并評(píng)估其對(duì)能源系統(tǒng)的長(zhǎng)期價(jià)值。

為了測(cè)試這一模型，研究人員觀察了在各種需求、技術(shù)和碳價(jià)格情景下美國(guó)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(duì)能源供暖的需求也很高，這是一個(gè)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(chǔ)能更為有利，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的氫儲(chǔ)能將氫轉(zhuǎn)換回電力時(shí)，會(huì)帶來(lái)額外的效率損失，即氫作為靈活需求來(lái)源的角色，比儲(chǔ)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(mén)相比，在氫供應(yīng)鏈中使用CCS更具成本效益。他們預(yù)計(jì)，到2020年代年結(jié)束時(shí)，電力部門(mén)的CCS項(xiàng)目將比用于制氫的項(xiàng)目多6倍——表明在規(guī)劃未來(lái)能源系統(tǒng)時(shí)，需要更多的跨部門(mén)耦合。

“除非采取全面的方法，否則無(wú)法實(shí)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(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，有些行業(yè)無(wú)法通過(guò)電氣化脫碳，有些行業(yè)無(wú)法通過(guò)碳捕獲技術(shù)脫碳。如果把所有問(wèn)題放在一起考慮，就會(huì)得到一個(gè)協(xié)同解決方案，從而顯著降低基礎(chǔ)設(shè)施成本。”