研究人员建立供应链模型以支持氢经济

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一种环境清洁燃料的兴趣日益浓厚。但是,要将经济从化石燃料转向清洁燃烧的氢,需要对当前的供应链进行重大调整。为了促进这种转变,麻省理工学院领导的研究人员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) 的博士后、IEEE Transactions on Sustainable Energy近期论文的主要作者 Guannan He 说:“我们建议对卡车和管道进行灵活调度,使它们既可以用作存储也可以用作传输。” “这对于间歇性可再生能源生产的绿色氢非常重要,因为这可以提供额外的灵活性来满足供需的变化。”

氢气已被广泛认为是使许多经济部门脱碳的有希望的途径,因为按重量计算,它比汽油或天然气包含更多的能量,而且在用作能源时会产生零排放。然而,生产氢气会产生大量排放。根据能源效率和可再生能源办公室的数据,今天生产的 95% 的氢气是通过蒸汽甲烷重整 (SMR) 产生的,这是一种能源密集型过程,其中甲烷与水反应生成氢气和一氧化碳。该过程的第二部分将蒸汽添加到冷却的气体中,以将一氧化碳转化为二氧化碳 (CO 2 ) 并产生更多的氢气。

最终,如今的氢气生产占全球CO 2排放量的4% 左右,He 说,如果氢气成为电动汽车和炼钢和氨生产等工业过程的燃料,这一数字将显着增加。因此,实现完全脱碳氢经济的愿景取决于使用可再生能源生产氢气,这项任务通常通过电解来完成,电解是一种电化学从水中提取氢气的过程。

然而,使用可再生能源需要存储将能源从发电高峰期转移到需求高峰期。而且,存储是昂贵的。

研究人员扩展了对存储的思考以解决这个关键问题:他们在模型中使用卡车作为燃料传输和存储的手段——因为氢气可以很容易地存储在闲置的卡车中。He 说,这种策略通过减少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

先前的研究试图评估电力系统中储氢的潜在好处,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,何说。而此类工作对于实现氢经济至关重要。

对于新模型,研究团队——何;MITEI 研究科学家 Emre Gençer 和 Dharik Mallapragada;Abhishek Bose,麻省理工学院技术与政策硕士生;壳牌全球解决方案国际 BV 的研究员 Clara F. Heuberger 采用了中央计划者的观点,他们对最小化系统成本和最大化社会效益感兴趣。研究人员研究了与氢气供应链四个主要步骤相关的成本:生产、储存、压缩和传输。“除非我们采取整体方法来分析整个供应链,否则很难确定氢的前景。这项工作填补了文献中的空白,”Gençer 说。

为了确保他们的模型尽可能全面,研究人员包括了广泛的氢相关技术,包括有和没有碳捕获和储存的 SMR、气体或液体的氢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种可扩展的建模和决策工具,可以充分利用各种资源和组件的灵活性,”Gençer 说。

在考虑所有选择的同时,研究人员最终发现,在传输方面,管道不如卡车灵活(尽管改造天然气管道可以使氢气管道在某些用途中具有成本效益),并且卡车运输氢气比卡车运输氢气便宜液体形式,因为液化比气体压缩具有更高的能源消耗和资本成本。

然后,他们为氢卡车提出了一种灵活的调度和路由模型,使车辆能够根据需要用作传输和存储。He 表示,在计算上,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。“我们提出了一些技术来降低模型的复杂性。”

该团队选择对系统中的卡车数量和 SMR 单元所需的承诺使用明智的近似值,应用聚类和整数松弛技术。这使他们能够极大地提高其程序的计算性能,而不会显着影响成本和投资结果方面的结果。

东北案例

模型建成后,研究人员通过探索东北部在各种碳政策和氢需求情景下未来的氢基础设施需求来对其进行测试。使用来自七年数据的 20 个代表性周,他们模拟了年度运营,并在给定不同的碳价格和电解槽的资本成本的情况下确定了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构成氢气生产和产能的很大一部分,”Gençer 说。

然而,他说结果还表明,使用电解制氢与使用压缩气体卡车进行传输和储存之间存在真正的协同作用。他解释说,这一发现很重要,因为“一旦我们投资于这些资产,我们就不能轻易转向其他资产。”

他补充说,与管道和输电线路等固定基础设施相比,卡车是一项更加灵活的投资;卡车可以很容易地改变路线以服务于新的能源发电设施和新的需求领域,甚至可以让卡车停在那里提供存储,直到需要更多的传输容量。相比之下,建造新的输电线路或管道需要时间——而且它们无法快速适应不断变化的需求。

“你每天都有更多的可再生能源集成到系统中。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一代。“一条输电线路可能需要 10 年时间才能建成,在此期间,这些可再生能源也无法使用。使用规模较小的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,他和其他同事最近对加州公用事业规模便携式储能的潜在应用进行了相关研究。在2 月份发表在《焦耳》杂志上的一篇论文中,他们表明,动员储能可以显着增加许多地区的储能收入,并改善可再生能源的整合。他说,它比增加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,据何说,下一步是为规划人员提供对该工具的广泛访问。“我们正在开发开源代码,以便人们可以使用它为不同部门开发最佳资产,”他说。“我们正在努力使模型更好。”

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