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隨著美國(guó)努力實(shí)現(xiàn)到2035年實(shí)現(xiàn)零碳發(fā)電的目標(biāo)，能源供應(yīng)商正在迅速增加太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源。但是，由于這些技術(shù)只有在太陽(yáng)照耀和風(fēng)吹的時(shí)候才會(huì)產(chǎn)生電子，因此它們需要其他能源的備份，尤其是在電力需求旺盛的季節(jié)。目前，燃燒化石燃料（主要是天然氣）的植物填補(bǔ)了這一空白。
麻省理工學(xué)院能源倡議（MITEI）的研究科學(xué)家埃姆雷·根瑟（Emre Genéer）表示："隨著我們向越來(lái)越多的可再生能源滲透，這種間歇性將對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響。這是因?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)營(yíng)商將越來(lái)越多地采用化石燃料為基礎(chǔ)的"峰值"工廠，以補(bǔ)償可變可再生能源（VRE）的間歇性太陽(yáng)和風(fēng)能。"如果我們要實(shí)現(xiàn)零碳發(fā)電，我們必須取代所有溫室氣體排放源，"Genéer說(shuō)。
溫室氣體排放峰值電廠的低碳和零碳替代品正在開發(fā)中，如鋰離子電池陣列和氫發(fā)電。但是，這些不斷發(fā)展的技術(shù)都帶有自己的一系列優(yōu)勢(shì)和限制，而且事實(shí)證明，很難以對(duì)從事清潔能源轉(zhuǎn)型的政策制定者、投資者和公用事業(yè)公司有用的方式來(lái)界定關(guān)于這些選擇的辯論。
現(xiàn)在，Genéer和DraxD.Hernandez SM'21已經(jīng)想出了一個(gè)模型，使得能夠更精確地確定這些峰值植物替代品的利弊。他們的混合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析，基于加州電力系統(tǒng)的詳細(xì)清單，于上個(gè)月在網(wǎng)上發(fā)表在《應(yīng)用能源》雜志上。雖然他們的工作側(cè)重于更換峰值發(fā)電廠最具成本效益的解決方案，但它也包含旨在促進(jìn)關(guān)于能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的更大對(duì)話的見解。
"我們研究的基本要點(diǎn)是，與鋰離子電池相比，氫燃料發(fā)電可以是更經(jīng)濟(jì)的選擇——即使在今天，氫氣生產(chǎn)、傳輸和儲(chǔ)存的成本也非常高，"Hernandez說(shuō)，他是麻省理工學(xué)院的研究生研究助理。Genéer補(bǔ)充道，"如果我們分析的案例中有氫氣的位置，那么這表明氫氣在能量轉(zhuǎn)換中可以發(fā)揮有希望的作用。
將成本加起來(lái)
加州是一個(gè)快速變化的電力系統(tǒng)的明星范例。該州20%以上的電力來(lái)自太陽(yáng)能，約7%來(lái)自風(fēng)能，更多的VRE迅速上線。這意味著其峰值電廠已經(jīng)發(fā)揮了關(guān)鍵作用，每天晚上太陽(yáng)下山時(shí)，或者當(dāng)熱浪等事件一次提高用電量數(shù)天時(shí)，就會(huì)上網(wǎng)。
"我們考察了加州所有的高峰植物，"Genéer回憶道。"如果我們用氫渦輪機(jī)或鋰離子電池代替它們，我們想知道電費(fèi)。研究人員使用一種稱為電平化成本（LCOE）的核心指標(biāo)來(lái)比較不同技術(shù)的成本。LCOE 測(cè)量在該資產(chǎn)假設(shè)壽命內(nèi)每單位發(fā)電的總發(fā)電量中建造和運(yùn)營(yíng)特定發(fā)電資產(chǎn)的平均總成本。
該團(tuán)隊(duì)選擇2019年作為他們的基礎(chǔ)研究年，研究了運(yùn)行天然氣發(fā)電峰值電廠的成本，他們將其定義為每年運(yùn)營(yíng)15%的電廠，以應(yīng)對(duì)間歇性可再生能源發(fā)電的缺口。此外，他們還確定了這些植物排放的二氧化碳量和減少這些排放量的費(fèi)用。這些信息大部分是公開的。
以大量鋰離子電池取代峰值工廠的價(jià)格也相對(duì)簡(jiǎn)單："鋰離子沒(méi)有技術(shù)限制，因此您可以建造盡可能多的鋰離子電池：但是，就儲(chǔ)能和制造儲(chǔ)能所需的采礦量而言，它們非常昂貴，"Genéer 說(shuō)。
但隨后出現(xiàn)了一個(gè)困難的部分：確定氫發(fā)電的成本。"最困難的事情是為新技術(shù)找到成本假設(shè)，"埃爾南德斯說(shuō)。"你不能通過(guò)文獻(xiàn)評(píng)論來(lái)做到這一點(diǎn)，因此我們與設(shè)備制造商和工廠運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行了多次對(duì)話。
研究小組考慮了兩種不同形式的氫燃料來(lái)替代天然氣，一種是通過(guò)電解器設(shè)施生產(chǎn)的，將水電轉(zhuǎn)化為氫氣，另一種是改革天然氣，產(chǎn)生氫氣和碳廢料，以減少排放。他們還對(duì)天然氣發(fā)電廠進(jìn)行改裝以燃燒氫氣，而不是建造全新的設(shè)施。他們的模型包括確定全州可能的位置和建造這些設(shè)施所涉及的費(fèi)用。
研究人員花了幾個(gè)月的時(shí)間編制一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)集，然后才著手進(jìn)行分析。埃爾南德斯說(shuō)："氫氣可以替代鋰離子電池，在電網(wǎng)上達(dá)到峰值運(yùn)行。此外，Genéer指出，"雖然某些技術(shù)在特定地點(diǎn)效果更好，但我們發(fā)現(xiàn)，平均而言，改造氫而不是電解氫是取代峰值工廠最便宜的選擇。
能源投資者的工具
當(dāng)他開始這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，Genéer承認(rèn)他對(duì)氫氣取代峰值電廠的天然氣"沒(méi)有希望"。"在我們不同的場(chǎng)景中，看到氫氣有一席之地，這有點(diǎn)令人震驚。這是因?yàn)閷⒒剂瞎S轉(zhuǎn)換為氫氣工廠的總體價(jià)格非常高，而且這種轉(zhuǎn)換很可能要等到更多的經(jīng)濟(jì)部門接受氫氣（無(wú)論是作為運(yùn)輸燃料還是用于各種制造和工業(yè)目的）之前才會(huì)發(fā)生。
一個(gè)新興的氫氣生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施確實(shí)存在，主要在生產(chǎn)氨肥方面。但是，在有目的的激勵(lì)措施的推動(dòng)下，擴(kuò)大這一框架以滿足電網(wǎng)規(guī)模需求，將需要大量投資。"根據(jù)今天提出的任何氣候解決方案，我們需要碳稅或碳定價(jià)：否則沒(méi)有人會(huì)轉(zhuǎn)向新技術(shù)，"根舍爾說(shuō)。
研究人員認(rèn)為，像他們這樣的研究可以幫助關(guān)鍵的能源利益相關(guān)者做出更明智的決定。為此，他們把分析整合到SESAME中，SESAME是麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)的一系列能源系統(tǒng)的生命周期和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估工具。例如，用戶可以利用這種復(fù)雜的建模環(huán)境來(lái)比較不同技術(shù)的儲(chǔ)能和排放成本，或者確定用氫氣驅(qū)動(dòng)的工廠取代天然氣發(fā)電廠是否具有成本效益。
"隨著公用事業(yè)、工業(yè)和投資者尋求脫碳和實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)，他們不得不權(quán)衡目前投資于低碳技術(shù)的成本與氣候變化未來(lái)的潛在影響，"埃爾南德斯表示。他認(rèn)為，隨著生產(chǎn)成本的下降和市場(chǎng)的擴(kuò)大，氫氣的成本競(jìng)爭(zhēng)力將越來(lái)越強(qiáng)。
作為麻省理工學(xué)院即將出版的《存儲(chǔ)的未來(lái)》研究的研究小組成員，Genéer知道，單靠氫氣不會(huì)帶來(lái)零碳的未來(lái)。但是，他說(shuō)，"我們的研究表明，我們需要在能源轉(zhuǎn)型中認(rèn)真考慮氫氣，開始考慮氫氣應(yīng)該使用的關(guān)鍵領(lǐng)域，并開始進(jìn)行必要的大規(guī)模投資。
這項(xiàng)研究的資金由MITEI的低碳能源中心和存儲(chǔ)未來(lái)研究提供。
