麻省理工学院的研究人员发现，氢发电可以成为锂离子电池在电网上调峰操作的更具成本效益的替代品。 图片来源：Shutterstock
随着美国竞相到2035年实现零碳发电的目标，能源供应商正在迅速增加太阳能和风能等可再生资源。但是，由于这些技术仅在太阳照耀和风吹拂时才会产生电子，因此它们需要从其他能源中备份，特别是在电力需求旺盛的季节。目前，燃烧化石燃料（主要是天然气）的工厂填补了这一空白。
“随着我们转向越来越多的可再生能源渗透，这种间歇性将对电力系统产生更大的影响，”麻省理工学院能源计划（MITEI）的研究科学家Emre Gençer说。这是因为电网运营商将越来越多地诉诸于基于化石燃料的“峰值”工厂，以补偿可变可再生能源（VRE）太阳能和风能来源的间歇性。“如果我们要实现零碳电力，我们必须更换所有温室气体排放源，”Gençer说。
温室气体排放峰值发电厂的低碳和零碳替代品正在开发中，例如锂离子电池阵列和氢发电。但是，这些不断发展的技术中的每一种都有自己的一套优势和限制，事实证明，很难以对参与清洁能源转型的政策制定者，投资者和公用事业公司有用的方式构建关于这些选项的辩论。
现在，Gençer和Drake D. Hernandez SM '21提出了一种模型，可以更精确地确定这些峰值植物替代品的优缺点。他们的混合技术和经济分析基于加州电力系统的详细清单，发表在2021年7月6日的在线版《应用能源》上（2021年10月的印刷出版日期）。虽然他们的工作重点是更换峰值发电厂最具成本效益的解决方案，但它也包含了旨在为有关能源系统转型的更大对话做出贡献的见解。
“我们研究的基本结论是，与锂离子电池相比，氢发电可能是更经济的选择 - 即使在今天，当氢气生产，传输和存储的成本非常高时，”Hernandez说，他在MITEI的研究生研究助理期间参与了这项研究。Gençer补充说：“如果我们分析的案例中有氢的地方，这表明氢在能源转型中发挥着广阔的作用。
加州是快速变化的电力系统的恒星范式。该州超过20%的电力来自太阳能，约7%来自风能，更多的VRE迅速上线。这意味着它的峰值植物已经发挥了关键作用，每天晚上太阳下山时或热浪等事件一次增加几天的用电量时，它就会上线。
“我们研究了加州所有的峰值植物，”Gençer回忆道。“我们想知道如果我们用氢燃料涡轮机或锂离子电池代替它们，电力成本是多少。研究人员使用了一种称为平准化电力成本（LCOE）的核心指标，作为比较不同技术成本的一种方式。平准化度电成本（LCOE）衡量的是，在特定能源生产的假设生命周期内，每单位总发电量，该资产的建设和运营总成本为该资产。
该团队选择2019年作为他们的基础研究年，研究了运行天然气峰值发电厂的成本，他们将其定义为一年中运行15%的工厂，以应对间歇性可再生电力的缺口。此外，他们还确定了这些工厂释放的二氧化碳量以及减少这些排放的费用。其中大部分信息是公开的。
提出用大量锂离子电池取代峰值工厂的价格也相对简单：“锂离子没有技术限制，因此您可以根据需要建造任意数量的锂离子电池;但它们在储能的足迹和制造它们所需的采矿方面非常昂贵，“Gençer说。
但随之而来的是困难的部分：确定氢发电的成本。“最困难的事情是为新技术找到成本假设，”Hernandez说。“你不能通过文献综述来做到这一点，所以我们与设备制造商和工厂运营商进行了多次对话。
该团队考虑了两种不同形式的氢燃料来取代天然气，一种是通过将水和电转化为氢气的电解槽设施生产的，另一种是通过改造天然气，产生可以捕获的氢气和碳废物以减少排放。他们还对改造天然气工厂以燃烧氢气进行了数字，而不是建造全新的设施。他们的模型包括确定整个州可能的位置以及建造这些设施所涉及的费用。
研究人员花了几个月的时间编译了一个巨大的数据集，然后开始分析任务。他们的建模结果很清楚：“氢气可以成为锂离子电池的更具成本效益的替代品，用于电网上的峰值操作，”Hernandez说。此外，Gençer指出，“虽然某些技术在特定地点效果更好，但我们发现，平均而言，重整氢气而不是电解氢是取代峰值工厂的最便宜的选择。
当他开始这个项目时，Gençer承认他对氢气取代峰值工厂中的天然气“没有希望”。“在我们不同的场景中，看到氢气有一席之地，这有点令人震惊。这是因为将化石燃料工厂转换为基于氢气的工厂的总体价格标签非常高，并且这种转换可能不会发生，直到更多的经济部门接受氢气，无论是作为运输燃料还是用于各种制造和工业目的。
一个新兴的氢气生产基础设施确实存在，主要是生产用于肥料的氨。但是，在有目的的激励措施的推动下，有必要进行大量投资来扩展这一框架以满足电网规模的需求。“对于今天提出的任何气候解决方案，我们都需要碳税或碳定价;否则没有人会转向新技术，“Gençer说。
研究人员认为，像他们这样的研究可以帮助关键的能源利益相关者做出更明智的决策。为此，他们将分析整合到SESAME中，SESAME是由麻省理工学院研究人员开发的一系列能源系统的生命周期和技术经济评估工具。例如，用户可以利用这种复杂的建模环境来比较不同技术的储能成本和排放，或者确定用氢气驱动的工厂取代天然气发电厂是否具有成本效益。
“由于公用事业，工业和投资者希望脱碳并实现零排放目标，他们必须权衡当今投资低碳技术的成本与气候变化向前发展的潜在影响，”Hernandez说，他目前是Charles River Associates能源实践的高级助理。他认为，随着生产成本的下降和市场的扩大，氢气将变得越来越具有成本竞争力。
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