Объединение энергетических и водородных секторов для достижения целей декарбонизации
Объединение энергетических и водородных секторов для достижения целей декарбонизации
Команда, возглавляемая MIT, считает, что целостная оптимизация инфраструктуры цепочки поставок электроэнергии и водорода благоприятна для сокращения выбросов и снижения затрат на инфраструктуру.
Правительства и компании во всем мире увеличивают свои инвестиции в исследования и разработки в области водорода, что свидетельствует о растущем признании того, что водород может играть важную роль в достижении целей декарбонизации глобальной энергетической системы. Поскольку водород является легким, энергоемким, пригодным для хранения и не производит прямых выбросов углекислого газа в месте использования, этот универсальный энергоноситель может быть использован различными способами в будущей чистой энергетической системе.
Часто рассматриваемый в контексте хранения энергии в масштабах сети, водород вызвал новый интерес отчасти из-за ожиданий, что в нашей будущей электрической сети будут доминировать переменные возобновляемые источники энергии (VRE), такие как ветер и солнце, а также снижение затрат на электролизеры воды — и то, и другое может сделать чистую, “зеленый” водород более экономически конкурентоспособен по сравнению с производством на основе ископаемого топлива. Но универсальность водорода как чистого энергетического топлива также делает его привлекательным вариантом для удовлетворения спроса на энергию и открытия путей декарбонизации в труднодоступных секторах, где прямая электрификация затруднена, таких как транспорт, здания и промышленность.
“Мы видели большой прогресс и анализ путей декарбонизации электроэнергии, но мы, возможно, не сможем электрифицировать все конечные виды использования. Это означает, что просто декарбонизации электроснабжения недостаточно, и мы должны разработать и другие стратегии декарбонизации ”, - говорит Дхарик Маллапрагада, научный сотрудник MIT Energy Initiative (MITEI). “Водород - интересный энергоноситель для изучения, но понимание роли водорода требует от нас изучения взаимодействий между электрической системой и будущей цепочкой поставок водорода”.
В новой статьеисследователи из MIT и Shell представляют основу для систематического изучения роли и влияния технологических путей на основе водорода в будущей низкоуглеродистой интегрированной энергетической системе с учетом взаимодействия с электрической сетью и пространственно-временных изменений спроса и предложения энергии. Разработанная структура совместно оптимизирует инвестиции в инфраструктуру и эксплуатацию по всей цепочке поставок электроэнергии и водорода при различных сценариях цен на выбросы. Применительно к северо-востоку США исследователи считают, что этот подход дает существенные преимущества — с точки зрения затрат и сокращения выбросов — поскольку он использует потенциал водорода для обеспечения электроэнергетической системы большой гибкой нагрузкой при производстве электролизом, а также позволяет декарбонизировать трудно электрифицируемые сектора конечного использования.
В исследовательскую группу входят Маллапрагада; Гуаннан Хе, аспирант MITEI; Абхишек Бозе, аспирант MITEI; Клара Хойбергер-Остин, исследователь Shell; и Эмре Генсер, научный сотрудник MITEI. Их результаты опубликованы в журнале Energy & Environmental Science.
Межсекторное моделирование
“Нам нужна межсекторальная структура для анализа экономики и роли каждого энергоносителя в различных системах, если мы хотим действительно понять экономические выгоды прямой электрификации или других стратегий декарбонизации”, - говорит он.
Для проведения этого анализа команда разработала модель оптимизации решений низкоуглеродистой сети Power-HYdrogen Network (DOLPHYN), которая позволяет пользователю изучать роль водорода в низкоуглеродных энергетических системах, эффекты сопряжения энергетического и водородного секторов и компромиссы между различными вариантами технологиив обеих цепочках поставок — охватывающих производство, транспортировку, хранение и конечное использование, а также их влияние на цели декарбонизации.
“Мы видим большой интерес со стороны промышленности и правительства, потому что все они задают вопросы о том, куда инвестировать свои деньги и как расставить приоритеты в своих стратегиях декарбонизации”, - говорит Генсер. Хойбергер-Остин добавляет: “Возможность оценить взаимодействие на системном уровне между электроэнергетикой и формирующейся водородной экономикой имеет первостепенное значение для развития технологий и поддержки стратегических решений по цепочке создания стоимости. Модель DOLPHYN может сыграть важную роль в решении таких вопросов ”.
Для заранее определенного набора сценариев спроса на электроэнергию и водород модель определяет сочетание наименее затратных технологий в энергетическом и водородном секторах с учетом различных операционных и политических ограничений. Модель может включать в себя целый ряд технологических опций — от генерации VRE до улавливания и хранения углерода (CCS), используемого как для производства электроэнергии, так и для производства водорода, до грузовых автомобилей и трубопроводов, используемых для транспортировки водорода. Благодаря своей гибкой структуре модель может быть легко адаптирована для представления новых вариантов технологий и оценки их долгосрочной ценности для энергетической системы.
В качестве важного дополнения модель учитывает выбросы углерода на уровне процесса, позволяя пользователю добавить штраф за выбросы в обоих секторах. “Если у вас ограниченный бюджет выбросов, мы можем изучить вопрос о том, где расставить приоритеты ограниченных выбросов, чтобы получить наилучшую отдачу от вашего доллара с точки зрения декарбонизации”, - говорит Маллапрагада.
Идеи из тематического исследования
Чтобы проверить свою модель, исследователи исследовали энергетическую систему Северо-востока США в различных сценариях спроса, технологий и цен на углерод. Хотя их основные выводы могут быть обобщены для других регионов, северо-восток США оказался особенно интересным примером. Этот регион имеет действующее законодательство и нормативную поддержку возобновляемой генерации, а также растущие целевые показатели по сокращению выбросов, ряд из которых достаточно жестки. Он также имеет высокий спрос на энергию для отопления — сектор, который трудно электрифицировать и может особенно выиграть от водорода и от соединения энергетических и водородных систем.
Исследователи обнаружили, что при объединении энергетического и водородного секторов с помощью электролиза или производства электроэнергии на основе водорода возникает большая эксплуатационная гибкость для поддержки интеграции VRE в энергетическом секторе и снижается потребность в альтернативных ресурсах, балансирующих электросети, таких как аккумуляторные батареи или диспетчерское производство газа, что, в свою очередь, снижает риск возникновения чрезвычайных ситуаций. общая стоимость системы. Это увеличение проникновения VRE также приводит к сокращению выбросов по сравнению со сценариями без секторальной связи. “Гибкость, которую обеспечивает производство водорода на основе электроэнергии с точки зрения балансировки сети, так же важна, как и водород, который он будет производить для декарбонизации других конечных целей”, - говорит Маллапрагада. Они обнаружили, что этот тип сетевого взаимодействия более благоприятен, чем обычное хранение электроэнергии на основе водорода, которое может привести к дополнительным капитальным затратам и потерям эффективности при преобразовании водорода обратно в энергию. Это говорит о том, что роль водорода в энергосистеме может быть более выгодной в качестве источника гибкого спроса, чем в качестве хранилища.
Многосекторальный подход исследователей к моделированию также подчеркнул, что CCS является более экономически эффективным при использовании в цепочке поставок водорода по сравнению с энергетическим сектором. Они отмечают, что вопреки этому наблюдению, к концу десятилетия в энергетическом секторе будет развернуто в шесть раз больше проектов УХУ, чем для использования в производстве водорода — факт, который подчеркивает необходимость более межсекторального моделирования при планировании будущих энергетических систем.
В этом исследовании исследователи проверили надежность своих выводов по ряду факторов, таких как то, как включение выбросов парниковых газов без сжигания (включая выбросы метана) из природного газа, используемого в энергетике и производстве водорода, влияет на результаты модели. Они считают, что включение следа выбросов природного газа в пределах границы модели не влияет на ценность связи сектора в отношении интеграции VRE и экономии затрат на декарбонизацию; на самом деле эта ценность фактически растет из-за возросшего акцента на производство водорода на основе электроэнергии по сравнению с путями, основанными на природном газе.
“Вы не сможете достичь климатических целей, если не будете применять целостный подход”, - говорит Генсер. - Это системная проблема. Есть секторы, которые вы не можете декарбонизировать с помощью электрификации, и есть другие секторы, которые вы не можете декарбонизировать без улавливания углерода, и если вы думаете обо всем вместе, то есть синергетическое решение, которое значительно минимизирует затраты на инфраструктуру ”.
Это исследование было частично поддержано Shell Global Solutions International B.V. в Амстердаме, Нидерланды, и низкоуглеродными энергетическими центрами MITEI для электроэнергетических систем и улавливания, использования и хранения углерода.
осеннем выпуске
журнала Energy Futures за 2021год.
ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
НОВОСТИ ПО ТЕМЕ
Ежегодная научно-исследовательская конференция MITEI 2021 посвящена теме “Достижение чистого нуля к 2050 году”.Докладчики призывают к быстрому развертыванию комплексных стратегий для удовлетворения глобальных энергетических потребностей и смягчения последствий изменения климата.
MIT Energy Initiative запускает Центр будущих энергетических системНовый консорциум MITEI фокусируется на ускорении энергетического перехода, взаимодействуя с промышленными лидерами, для масштабного внедрения достижений в области чистой энергетики
Использование природных конструкций в деревянных зданияхИнструменты для проектирования с раздвоенными ветвями деревьев
Оригинальный текст: Tools for designing with forked tree branches