节能减排新方式！电氢耦合的新型能源系统

图源：DOI: 10.1039/D1EE00627D

世界各国政府和公司都在增加对氢研究和开发的投资，这表明人们越来越认识到氢在实现全球能源系统脱碳目标的方面可以发挥重要作用。由于氢重量轻、能量密集、可储存，并且在使用时不会直接产生二氧化碳排放，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各种方式加以利用。

在电网储能的背景下,氢重新引起了人们的兴趣。部分原因在于我们期望未来电网将由可变可再生能源(VRE)控制,如风能和太阳能以及降低水电解器的成本——它们都会使清洁、“绿色”的氢与化石燃料生产相比更具有成本竞争力。且氢作为一种清洁能源燃料的多功能性也使其成为一种有吸引力的选择，以满足能源需求，并为一些难以直接电气化的行业(如交通、建筑和工业)的脱碳开辟道路。

“我们已经看到了很多关于脱碳电力的进展和分析，但我们可能无法将所有终端用户电气化。这意味着仅脱碳供电是不够的，我们还必须制定其他的脱碳战略。”麻省理工学院能源计划(MITEI)的研究科学家Dharik Mallapragada说，“氢是一种值得探索的有趣的能源载体，但了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。”

研究人员提出一个框架来系统地研究氢基技术路径在未来低碳综合能源系统中的作用和影响，同时兼顾其与电网的相互作用以及能源需求和供应的空间-时间变化。在不同的排放价格下，该框架均优化了电力和氢能供应链的基础设施投资和运营。在将其应用到美国东北部的一个案例研究时，研究人员发现，这种方法在减少成本和排放量方面产生了巨大的效益，因为它利用了氢的潜力，在电解时为电力系统提供了一个大的柔性负载，与此同时使得难以电气化的最终使用部门能够脱碳。

跨部门的建模

Guannan He说:“如果我们要真正理解直接电气化或其他脱碳战略的成本/效益，我们需要一个跨部门框架来分析分析每个能源载体的经济学和跨多个系统的作用。”

为此该团队开发了低碳电力-氢化物网络决策优化(DOLPHYN)模型，该模型允许用户研究氢在低碳能源系统中的作用，电力和氢能耦合的影响，和跨越生产、运输、存储和最终用途的两种供应链中各种技术选项之间的权衡，以及它们对脱碳目标的影响。

Gençer表示:“工业界和政府对此非常感兴趣，因为他们都在问，应该把钱投资到哪里，以及如何优先考虑他们的脱碳战略。”Heuberger-Austin补充道:“评估电力和新兴氢能之间的系统级交互，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类问题。”

对于一组预先设定的需求场景，该模型确定电力和氢能最低成本的技术组合，同时遵守各种运营和政策约束。它可以并入一系列技术选项，从VRE发电到用于发电和制氢的碳捕获和存储(CCS)，再到用于氢运输的卡车和管道。该模型结构灵活，易于适应，可作为新兴的技术选择，并评估它们对能源系统的长期价值。

此外，该模型允许用户在两个部门增加排放成本惩罚以此来考虑过程级的碳排放。Mallapragada说:“如果你的排放预算有限，我们可以探索在哪里优先考虑有限的排放，以便在脱碳方面取得最佳效果。”

来自案例研究的见解

为了测试他们的模型，研究人员调查了美国东北部在各种需求、技术和碳价格情景下的能源系统。该地区目前对可再生能源发电有立法和监管支持，并新增了减排目标，部分目标相当严格。同时它对供暖的能源需求也很高——这一领域很难实现电气化，且尤其能从氢气以及电力和氢能的耦合中受益。

研究人员发现，当通过电解或以氢为基础的发电将电力和氢能结合在一起时，电力部门支持 VRE 集成具有更大的操作灵活性，对替代网格平衡供应方资源 (如电池存储或可调遣气体发电)的需求也减少了，这反过来又降低了整个系统的成本。与没有耦合的情景相比，这种增加的VRE渗透率也导致了排放的减少。他们发现这种类型的电网相互作用比传统的以氢为基础的电力存储更有利，后者在将氢转化为电力时可能会产生额外的成本和效率损失。这表明，在电网中氢可能更适合作为灵活的需求来源，而不是存储。

研究人员的跨部门建模方法还强调，CCS在氢供应链中的使用比在电力系统中的使用更具成本效益。与上述观察相反，十年后在电力系统部署的CCS项目将是制氢项目的六倍——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。

研究人员还发现，将天然气上游排放足迹纳入模型边界并不会影响系统耦合在VRE整合和脱碳成本节约方面的价值。事实上，由于人们越来越重视以电力为基础的氢气生产，氢气的价值还在增长。

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