Credit:Unsplash/CC0 Public Domain在过去的几十年里，对无碳能源的需求推动了人们对氢作为环境清洁燃料的兴趣不断增加。但是，要将经济从化石燃料转向清洁燃烧的氢，将需要对当前的供应链进行重大调整。为了促进这一转变，麻省理工学院领导的研究团队开发了一种新的氢供应链规划模型。麻省理工学院能源倡议(MITEI)博士后、IEEE Transactions on Sustainable Energy近期发表的一篇论文的主要作者何冠南(Guannan He)表示:“我们建议对卡车和皮鹈鹕进行灵活的调度，让它们既能作为存储，又能作为传输。“这对于由可再生能源生产的绿色氢来说非常重要，因为这可以提供额外的灵活性来满足供需的变化。”
氢已被广泛认为是许多经济部门脱碳的一条有前途的道路，因为它比汽油或天然气以重量计储存了更多的能量，但当用作能源时却产生零排放。然而，生产氢气会产生大量排放。根据美国能源效率和可再生能源办公室的数据，目前95%的氢气是通过蒸汽甲烷重整(SMR)产生的，这是一个能源密集型过程，甲烷与水反应产生氢气和一氧化碳。这个过程的第二部分是向冷却的气体中加入蒸汽，将一氧化碳转化为二氧化碳(CO2)并产生更多的氢气。
何说，最终，如今氢气产量占全球二氧化碳排放量的4%左右，如果氢气成为电动汽车和钢铁精炼、合成氨等工业过程的燃料，这一数字将大幅上升。因此，实现创造完全脱碳氢经济的愿景取决于使用可再生能源生产氢，这一任务通常通过电解来完成，电解是一种从水中电化学提取氢的过程。
然而，使用可再生能源需要储存，以便将能源从发电高峰的时间和地点转移到需求高峰的地点。而且，存储很贵。
研究人员扩展了他们对储存的思考，以解决这一关键问题:他们在模型中使用卡车作为燃料传输和储存的手段——因为氢气可以很容易地储存在闲置的卡车中。何表示，这种策略通过降低对其他存储解决方案的需求，将氢供应链的成本降低了约9%。“我们发现以这种方式使用卡车非常重要，”何说。“它可以降低系统成本，并鼓励基于可再生能源的氢气生产，而不是基于气体的生产。”
开发模型
他说，以前的研究试图评估氢储存在电力系统中的潜在好处，但他们没有从整个氢供应链的角度考虑基础设施投资需求。这些工作对于氢经济的发展至关重要。
对于新模式，研究团队——何；MITEI研究科学家Emre Genç er和Dharik MallapragadaAbhishek Bose，麻省理工学院技术与政策硕士研究生；壳牌全球解决方案国际公司的研究员克拉拉·f·赫伯格采用了一个中央计划者的视角，他对最小化系统成本和最大化社会效益感兴趣。研究人员研究了氢供应链中四个主要步骤的相关成本:生产、储存、压缩和传输。“除非我们采取整体的方法来分析整个供应链，否则很难确定氢气的前景。这项工作填补了文献中的空白。
为了确保他们的模型尽可能全面，研究人员纳入了一系列与氢相关的技术，包括有或没有碳捕获和储存的SMR，氢作为气体或液体的运输，以及通过管道和卡车的传输。“我们已经为氢供应链开发了一个可扩展的建模和决策工具，可以充分捕捉各种资源和组件的灵活性，”根切说。
虽然考虑了所有的选择，但最终研究人员发现，管道传输的灵活性不如卡车(尽管改装天然气管道可以使马可的氢气管道在某些用途上更具成本效益)，而且用卡车运输氢气比用卡车运输液态氢气更便宜，因为液化比气体压缩具有更高的能耗和资本成本。
然后，他们为氢卡车提出了一个灵活的调度和路线模型，这将使车辆能够根据需要同时用作变速器和存储设备。据何说，从计算上来说，这是一个特别具有挑战性的步骤。“这是一个非常复杂的优化模型，”他说。"我们提出了一些降低模型复杂性的技术."
该团队选择对系统中的卡车数量和SMR单位所需的投入使用明智的近似值，应用聚类和整数松弛技术。这使他们能够大大提高程序的计算性能，而不会对成本和投资结果产生重大影响。
东北案例研究
模型建立后，研究人员通过探索美国东北部未来在各种碳政策和氢需求场景下的氢基础设施需求，对其进行了测试。利用7年数据中的20个代表性周，他们模拟了年度运营，并确定了不同碳价格和电解槽资本成本下氢基础设施类型的最佳组合。
“我们表明，即使在碳价格非常高的情况下，通过碳捕获对天然气进行蒸汽甲烷重整也将占氢气生产和产能的很大一部分，”根切说。
然而，何表示，研究结果还表明，在利用电解制氢和利用压缩气体卡车进行传输和储存之间存在真正的协同效应。他解释说，这一发现很重要，因为“一旦我们投资这些资产，我们就不能轻易转向其他资产。”
他补充说，卡车是一种比管道和输电线路等固定基础设施灵活得多的投资；卡车可以很容易地改变路线，为新的能源生产设施和新的需求领域服务，或者甚至被搁置起来提供存储，直到需要更多的传输能力。相比之下，建设新的输电线路或管道需要时间——而且它们不能快速适应不断变化的需求。
“每天都有更多的可再生能源被整合到系统中。人们正在安装屋顶太阳能电池板，所以你需要更多的资产来将能量传输到系统的其他部分，”他说，并解释说灵活的供应链可以充分利用可再生能源发电。“一条输电线路可能需要10年才能建成，在此期间，这些可再生能源也不能使用。使用较小规模、分布式、便携式存储或移动存储可以及时解决这个问题。”
事实上，何和其他同事最近在加州对公用事业规模的便携式能量存储的潜在应用进行了相关研究。在今年2月发表在Joule上的一篇论文中，他们表明，动员储能可以显著增加许多地区的储能收入，并改善可再生能源的整合。他表示，“它比额外电网容量等固定解决方案更灵活”。“当您不再需要移动存储时，您可以将其转换为固定存储。”
现在，何和他的同事已经创建了他们的氢供应链规划模型，下一步，根据何的说法，是为规划者提供广泛的工具。“我们正在开发开源代码，以便人们可以使用它来为不同的行业开发最佳资产，”他说。“我们正在努力让这个模型变得更好。”
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