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在過去的幾十年里，對無碳能源的需求推動了人們對氫作為一種環(huán)境清潔燃料的興趣。但是，將經(jīng)濟(jì)從化石燃料轉(zhuǎn)向清潔燃燒的氫氣，需要對當(dāng)前的供應(yīng)鏈進(jìn)行重大調(diào)整。為了促進(jìn)這一轉(zhuǎn)變，麻省理工學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組開發(fā)了一種新的氫氣供應(yīng)鏈規(guī)劃模型。
麻省理工學(xué)院能源倡議（MITEI）的博士后、IEEE Transactions on Sustainable Energy最近發(fā)表的一篇論文的主要作者Gunan He說：“我們建議對卡車和管道進(jìn)行靈活的調(diào)度，讓它們既能作為存儲又能作為傳輸。”這對于間歇性可再生能源產(chǎn)生的綠色氫氣非常重要，因為這可以提供額外的靈活性，以滿足供需的變化。”
氫被廣泛認(rèn)為是一種很有希望的經(jīng)濟(jì)脫碳途徑，因為它比汽油或天然氣都能包含更多的能量，但作為一種能源時，它的排放量為零。然而，生產(chǎn)氫氣會產(chǎn)生大量的排放。根據(jù)美國能源效率和可再生能源辦公室（U.S.Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）的數(shù)據(jù)，目前生產(chǎn)的氫氣有95%是通過蒸汽甲烷重整（SMR）產(chǎn)生的，這是一種能源密集型工藝，甲烷與水反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳。這個過程的第二部分是向冷卻后的氣體中加入蒸汽，將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳（CO2），并產(chǎn)生更多的氫氣。
他說，歸根結(jié)底，今天的制氫量約占全球二氧化碳排放量的4%，如果氫作為電動汽車燃料以及鋼鐵精煉和氨氣生產(chǎn)等工業(yè)過程的燃料受到歡迎，這個數(shù)字將顯著上升。因此，實現(xiàn)完全脫碳?xì)浣?jīng)濟(jì)的愿景取決于利用可再生能源生產(chǎn)氫氣，這項任務(wù)通常通過電解完成，電解是一種通過電化學(xué)方法從水中提取氫氣的過程。
然而，使用可再生能源需要儲存，以便將能源從發(fā)電高峰的時間和地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到需求高峰的時間和地點(diǎn)。而且，存儲是昂貴的。
研究人員擴(kuò)展了他們關(guān)于儲存的想法來解決這個關(guān)鍵問題：他們在模型中使用卡車作為燃料傳輸和儲存的手段，因為氫可以很容易地儲存在空轉(zhuǎn)的卡車中。他說：“這種策略通過降低對其他存儲解決方案的需求，將氫氣供應(yīng)鏈的成本降低了約9%。”“我們發(fā)現(xiàn)以這種方式使用卡車非常重要，”他說它可以降低系統(tǒng)的成本，鼓勵以可再生能源為基礎(chǔ)的氫氣生產(chǎn)，而不是以天然氣為基礎(chǔ)的生產(chǎn)。”
開發(fā)模型
他說，以前的研究試圖評估儲氫在電力系統(tǒng)中的潛在效益，但他們沒有從整個氫供應(yīng)鏈的角度考慮基礎(chǔ)設(shè)施投資需求。而這項工作對于實現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。
對于新的模式，研究團(tuán)隊；MITEI研究科學(xué)家Emre Gen?er和Dharik Mallapragada；AbhishekBose，麻省理工學(xué)院技術(shù)與政策碩士研究生；克拉拉F。Shell Global Solutions International B.V.的研究員Heuberger采用了一種中央規(guī)劃師的觀點(diǎn)，他對最小化系統(tǒng)成本和最大化社會效益感興趣。研究人員研究了氫氣供應(yīng)鏈中四個主要步驟的相關(guān)成本：生產(chǎn)、儲存、壓縮和傳輸。”除非我們采取整體的方法來分析整個供應(yīng)鏈，否則很難確定氫的前景。這部作品填補(bǔ)了文獻(xiàn)中的空白，她說。
為了確保他們的模型盡可能全面，研究人員納入了一系列與氫氣相關(guān)的技術(shù)，包括有無碳捕獲和儲存的SMR、氫氣作為氣體或液體的運(yùn)輸以及通過管道和卡車的運(yùn)輸。”我們已經(jīng)為氫氣供應(yīng)鏈開發(fā)了一個可擴(kuò)展的建模和決策工具，該工具可以充分利用各種資源和組件的靈活性，她說。
在考慮了所有的選擇之后，研究人員最終發(fā)現(xiàn)，與卡車相比，管道是一種不太靈活的傳輸選擇（盡管改裝天然氣管道可以使氫氣管道在某些用途上更具成本效益），而卡車運(yùn)輸氫氣比卡車運(yùn)輸液態(tài)氫氣更便宜，因為液化比天然氣壓縮有更高的能源消耗和資本成本。
然后，他們提出了一個靈活的氫燃料卡車調(diào)度和路徑模型，使這些車輛能夠根據(jù)需要同時用作傳輸和儲存。他說：“從計算上來說，這是一個特別具有挑戰(zhàn)性的步驟。”“這是一個非常復(fù)雜的優(yōu)化模型，”他說我們提出了一些技術(shù)來降低模型的復(fù)雜性。”
研究小組采用聚類和整數(shù)松弛技術(shù)，對系統(tǒng)中的卡車數(shù)量和SMR單元所需的投入使用明智的近似值。這使他們能夠極大地提高程序的計算性能，而不會對成本和投資結(jié)果產(chǎn)生重大影響。
東北地區(qū)案例研究
一旦建立了這個模型，研究人員通過探索在各種碳政策和氫需求情景下美國東北部未來的氫基礎(chǔ)設(shè)施需求來測試這個模型。他們利用7年數(shù)據(jù)中的20個有代表性的星期，模擬了年度運(yùn)營情況，并根據(jù)不同的碳價格和電解槽的資本成本，確定了氫氣基礎(chǔ)設(shè)施類型的最佳組合。
“我們表明，即使在碳價格非常高的情況下，天然氣的蒸汽甲烷重整與碳捕獲將構(gòu)成氫氣生產(chǎn)和生產(chǎn)能力的重要組成部分，”Gen?er她說。
不過，他說研究結(jié)果還表明，利用電解制氫和利用壓縮氣體卡車進(jìn)行運(yùn)輸和儲存之間存在著真正的協(xié)同作用。他解釋說，這一發(fā)現(xiàn)很重要，因為“一旦我們投資于這些資產(chǎn)，就不能輕易地轉(zhuǎn)向其他資產(chǎn)。”
他補(bǔ)充說，與管道和輸電線路等固定基礎(chǔ)設(shè)施相比，卡車的投資要靈活得多；卡車可以很容易地改變路線，為新能源發(fā)電設(shè)施和新的需求領(lǐng)域服務(wù)，甚至可以坐著提供儲存，直到需要更多的傳輸能力。相比之下，修建新的輸電線路或管道需要時間，而且不能迅速適應(yīng)不斷變化的需求。
“你每天都有更多的可再生能源整合到這個系統(tǒng)中。人們正在安裝屋頂太陽能電池板，因此你需要更多的資產(chǎn)來將能源傳輸?shù)较到y(tǒng)的其他部分，”他說，并解釋說，靈活的供應(yīng)鏈可以充分利用可再生能源發(fā)電一條輸電線路可能需要10年才能建成，在此期間，這些可再生能源也不能得到利用。使用較小規(guī)模的分布式便攜式存儲或移動存儲可以及時解決這一問題。”
事實上，他和其他同事最近對公用事業(yè)規(guī)模的便攜式儲能在加州的潛在應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。在2月份發(fā)表在《焦耳》雜志上的一篇論文中，他們表明，調(diào)動儲能可以顯著增加許多地區(qū)的儲能收入，并改善可再生能源的整合。”他說，這比增加電網(wǎng)容量等固定解決方案更靈活當(dāng)您不再需要移動存儲時，可以將其轉(zhuǎn)換為固定存儲。”
現(xiàn)在，他和他的同事們已經(jīng)建立了他們的氫氣供應(yīng)鏈規(guī)劃模型，根據(jù)他的說法，下一步是為規(guī)劃者提供廣泛使用該工具的途徑。”他說：“我們正在開發(fā)開源代碼，這樣人們就可以利用它為不同行業(yè)開發(fā)最佳資產(chǎn)。”我們正在努力使模型更好。”
