图形摘要。信用:DOI: 10.1039/D1EE00627D，世界各国政府和公司都在加大对氢气研发的投资，这表明人们越来越认识到氢气可以在实现全球能源系统脱碳目标方面发挥重要作用。由于氢气重量轻、能量密度大、可储存，并且在使用时不会直接产生二氧化碳排放，因此这种多功能的能源载体有潜力在未来的清洁能源系统中以多种方式加以利用。氢通常被认为是电网规模的能源储存，它重新引起了人们的兴趣，部分原因是人们预期我们未来的电网将由风能和太阳能等可变可再生能源(VRE)以及不断降低的电解水成本主导——这两者都可以使清洁的“绿色”氢与化石燃料生产相比更具成本竞争力。但氢作为清洁能源燃料的多功能性也使其成为一个有吸引力的选择，以满足能源需求，并在难以直接电气化的领域，如交通、建筑和工业，为脱碳开辟道路。
“我们已经看到围绕电力脱碳途径的许多进展和分析，但我们可能无法实现所有最终用途的电气化。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战略，”麻省理工学院能源倡议(MITEI)的研究科学家达瑞克·马拉普拉格达(Dharik Mallapragada)说。“氢是一种值得探索的有趣的能源载体，但要理解氢的作用，需要我们研究电力系统和未来氢供应链之间的相互作用。”
在最近的一篇论文中，麻省理工学院和壳牌公司的研究人员提出了一个框架，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，同时考虑到与电网的相互作用以及能源需求和供应的时空变化。开发的框架模仿了不同排放价格情景下电力和氢供应链的基础设施投资和运营。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带来了巨大的好处——在成本和减排方面——因为它利用了氢气的潜力，当通过电解生产时，可以为电力系统提供大的灵活负载，同时还能使难以通电的最终用户部门脱碳。
研究团队包括Mallapragada关楠何，麻省理工学院博士后；Abhishek Bose，MITEI的研究生研究助理；壳牌公司研究员克拉拉·赫伯格-奥斯汀；以及MITEI的研究科学家Emre gener。他们的发现发表在《能源与环境科学》杂志上。
跨部门建模
“如果我们要真正理解直接电气化或其他脱碳战略的成本/收益，我们需要一个跨部门的框架来分析每个能源载体在多个系统中的经济性和作用，”何表示。
为了进行这种分析，该团队开发了低碳电力-氢气网络(DOLPHYN)模型的决策优化，该模型允许用户研究氢气在低碳能源系统中的作用、电力和氢气部门耦合的影响，以及跨生产、运输、存储和最终用途的两个供应链的各种技术选择之间的权衡，以及它们对脱碳目标的影响。
“我们看到了来自工业和政府的巨大兴趣，因为他们都在问如何投资以及如何优先考虑他们的脱碳战略，”根切说。Heuberger-Austin补充道，“能够评估电力和新兴氢经济之间的系统级相互作用，对于推动技术发展和支持战略价值链决策至关重要。DOLPHYN模型可以帮助解决这些问题。”
对于一组预定义的电力和氢需求场景，该模型确定了电力和氢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择——从VRE发电到用于发电和制氢的碳捕获和储存，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适用于代表新兴技术选项，并评估其对能源系统的长期价值。
作为一个重要的补充，该模型通过允许用户对两个部门的排放增加成本惩罚来考虑过程级碳排放。“如果你有一个有限的排放预算，我们可以探索在哪里优先考虑有限的排放，以在脱碳方面获得最佳回报，”马拉普拉加达说。
来自案例研究的见解
为了测试他们的模型，研究人员在各种需求、技术和碳价格情景下调查了美国东北部的能源系统。虽然他们的主要结论可以推广到其他地区，但东北地区被证明是一个特别有趣的案例研究。该地区目前有可再生能源发电的立法和监管支持，以及不断增加的减排目标，其中一些目标相当严格。它还对加热能源有很高的需求——这是一个很难通电的领域，尤其可以从氢气以及电力和氢气系统的耦合中受益。
研究人员发现，当通过电解或基于氢的发电将电力和氢部门结合起来时，有更多的操作灵活性来支持电力部门的VRE集成，并且减少了对替代电网平衡供应侧资源的需求，例如电池存储或可调度气体发电，这反过来降低了整体系统成本。与没有耦合的情况相比，VRE渗透率的增加也导致了排放量的减少。马拉普拉加达说:“电力制氢在平衡电网方面提供的灵活性，与它为其他最终用途脱碳而生产的氢气一样重要。他们发现这种类型的电网相互作用比传统的基于氢的电力储存更有利，传统的基于氢的电力储存在将氢转换回电力时会导致额外的资本成本和效率损失。这表明，氢在电网中的作用作为灵活需求的来源可能比作为储存更有益。
研究人员的多部门建模方法还强调，与电力部门相比，二氧化碳捕获和储存在氢供应链中更具成本效益。他们指出，与这一观察相反，到本十年末，电力部门部署的二氧化碳捕获和储存项目将是氢气生产中使用的六倍——这一事实强调了在规划未来能源系统时需要更多的跨部门建模。
在这项研究中，研究人员针对多种因素测试了他们的结论的稳健性，例如纳入发电和制氢中使用的天然气的非燃烧温室气体排放(包括甲烷排放)如何影响模型结果。他们发现，将天然气的上游排放足迹包括在模型边界内不会影响与VRE一体化和脱碳成本节约相关的部门耦合价值；事实上，这一价值实际上在增长，因为人们越来越重视电制氢，而不是天然气制氢。
“除非你采取全面的方法，否则你无法实现气候目标，”根切说。“这是一个系统问题。有些行业你不能用电气化去碳化，有些行业你不能不用碳捕获去碳化，如果你把所有事情都考虑在一起，就有一个协同解决方案，可以显著降低基础设施成本。”
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
