目前，電力行業對使用“綠色”氫發電的前景感到非常興奮。 “綠色”意味著氫將使用稱為電解槽的技術從可再生電能中生產，不會造成與氣候變化相關的碳排放。
氫電解槽使用電從水中產生氫氣。然后可以將產生的綠色氫儲存起來，以備日后用于燃料電池或燃氣輪機以再生電力。令人興奮的是吹噓可以使用“過剩”的可再生能源——否則會被浪費的可再生能源。
圖1
由美國能源部 (DOE) 和其他機構贊助的技術研究旨在解決當前生產和使用綠色氫的技術挑戰。在大多數情況下，這些挑戰包括安全性、提高電解槽性能、運輸和儲存氫氣，以及核心挑戰：將生產綠色氫氣的成本從目前的每公斤 (kg) 5 美元至 6 美元 (US) 降低至 1 至 2 美元/公斤。
一旦產生了綠色氫氣，在將其燃燒以用于公用事業渦輪機方面面臨著額外的挑戰。這包括控制一氧化二氮 (NOx) 排放等問題，以及燃燒的氫氣對目前用于制造渦輪葉片的材料具有腐蝕性這一事實。
出于本文的目的，我們假設所有這些技術挑戰都將得到解決。但房間里仍然有一頭眾所周知的大象。似乎沒有人談論的大象降低綠色氫氣生產成本的動力是悄悄地假設電解槽將以相對較高的年負荷系數運行，并且僅依賴電解槽本地的可再生能源，或其本地公用事業，甚至本地批發市場，將無法支持如此高的負載率，它們缺乏穩定性，重要的是缺乏時間多樣性。
解決方案？通過具有成本效益的區域間電力傳輸，將時間多樣化的可再生能源長距離匯集在一起。
示例項目
例如，考慮在猶他州三角洲附近的山間電力項目 (IPP) 站點正在進行的綠色氫項目。在那里，現有的 1,800 兆瓦燃煤電廠為猶他州和南加州的市政公用事業提供基本負荷電力。南加州市政當局已選擇在 2025 年退役該工廠，比原計劃提前兩年。該工廠仍然存在，但其加利福尼亞客戶將消失。
在洛杉磯水電部 (LADWP) 的領導下，一座 845 兆瓦的天然氣聯合循環燃氣輪機 (CCGT) 電廠將作為南加州市政當局退役燃煤電廠的替代方案。盡管天然氣的碳排放量低于煤炭，但它的碳排放量仍然很大。為了進一步減少碳排放，有人提議 CCGT 最初將使用 30% 的綠色氫氣和 70% 的天然氣混合燃燒，隨著當前與氫氣相關的技術和成本挑戰得到解決，隨著時間的推移增加到 100% 的氫氣.
圖2 綠色氫生產的成本曲線作為可用可再生能源燃料容量因子的函數
每單位輸出的預期成本目標，它們需要在高負載系數下運行——也就是說，將其大量資本成本分攤到大量能源輸出上，運行電解槽的可再生電力的可用性越高，綠色氫輸出的單位成本就越低。
從概念上講，可以使用來自南加州的太陽能。 但那里的太陽能資源的年容量系數約為 25%——無論是在分布式屋頂上生產還是從公用事業規模的太陽能農場生產，因為這些太陽能資源彼此之間缺乏時間差異。 它們要么全部開啟，要么全部關閉，這取決于太陽的晝夜循環。 單獨使用加州太陽能在電解槽成本曲線上看起來并不好。
圖3
解決方案
公用事業、公司和電解槽公司僅使用當地的可再生能源無法實現高水平的可再生能源。相反，他們還需要從其他地區獲取時間多樣化的可再生能源。 這是迄今為止公用事業公司尚未充分探索的一個選項， 但他們需要。考慮位于 IPP 站點的大型電解槽，僅使用類似數量的南加州太陽能進行燃燒。 圖 3 描繪了典型一周的這種設置，電解槽電源隨太陽峰落，并且平均只有大約 25% 的時間可用。
圖4
如果我們在猶他州增加當地的太陽能供應會怎樣？ 據報道，達美的傳輸互連隊列中有很多新的太陽能容量在等待。 圖 4 顯示了結果。可悲的是，南加州太陽能和猶他州太陽能之間幾乎沒有或沒有時間多樣性。 它們在經度上相距不遠，太陽大約在同一時間到達和離開它們，所以這沒有多大幫助。
圖5
如果想得更廣泛呢？ 如果我們將懷俄明州的風從遠處引入 IPP 會怎樣？ 有幾個項目提議使用高壓直流 (HVDC) 傳輸來做到這一點。 圖 5（下圖）描述了同一周內 Delta 的情況。 現在事情看起來好多了。 在這個例子中，一周中的三個晚上現在有可再生能源供應，以配合白天的太陽能。
圖6
到現在為止還挺好。如果我們將南達科他州（或內布拉斯加州）、愛荷華州和伊利諾伊州的風添加到圖片中會怎樣（如圖 6）？這導致每小時相對穩定的可再生能源供應。這只是一個示例周。隨機選擇您想要的任何一周；圖片是相似的。時間多樣性很重要。您當地的可再生能源可能經常運行。但是，如果您可以訪問時間多樣化的可再生能源，幾乎總能在某個地方找到它們。
圖 7（下圖）重新審視了之前的電解槽生產成本曲線，添加了時間多樣化的可再生能源。顯然，這種時間多樣性對于解決綠色氫夢想所面臨的房間里的大象問題很重要。
圖7
我們如何實際實現時間多樣化的可再生能源來制造綠色氫？或者就此而言，任何人都可以實現高水平可再生能源的目標？答案是區域間高壓直流輸電。
Power from the Prairie LLC（以下簡稱PftP LLC ）開發了這樣一個項目。來自草原的電力是一條擬議的 4000 MW 高壓直流輸電線路，從懷俄明州的風場延伸，穿過南達科他州或內布拉斯加州，到達愛荷華州西北部的風場（底部圖 8）。它將在中間有一個 DC/AC/DC 換流站，以實現全國一些最好的風力資源中數千兆瓦的新風電項目的互連，這些資源目前因缺乏輸電和市場準入而被內陸。
圖8
該項目還可以包括大型、持續時間長的電網級儲能，如擬議的南達科他州格雷戈里縣抽水蓄能項目（1200 至 1800 兆瓦，24 至 36 小時的存儲時間），如果發現除了線。或相反亦然。
結合現有和擬議的風載高壓直流輸電項目，來自草原的電力將使時間多樣化的可再生能源從洛杉磯到芝加哥和向東的雙向交換成為可能。通過啟用雙向交換，這種輸電線路的經濟性從風到負荷的商業模式得到了顯著改善。
在對長期能量存儲的持續關注中，它的作用類似于“虛擬”存儲。一個地區可以通過高壓直流輸電輸出其過剩的可再生能源，然后從另一個地區進口時間多樣化的可再生能源。物理存儲真的發生了嗎？不必要。返回的能源可能是其他地區時間多樣化的可再生能源過度發電。
除了支持綠色氫的生產外，此類開發還可以用于使加利福尼亞州實現其計劃的高水平可再生投資組合標準（到 2045 年達到 100%）。當加利福尼亞不可避免地從其太陽能光伏裝置中產生過多的發電量與客戶在太陽能日期間的負荷相比，它可以通過網絡將過剩的生產輸出到其他州，然后從先前簽訂的合同中“交換”可再生能源。太陽落山時的其他狀態。
來源：Power Engineering
作者：羅伯特舒爾特和弗雷德里克弗萊徹
