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在過(guò)去的幾十年里，對(duì)無(wú)碳能源的需求推動(dòng)了人們對(duì)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(duì)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(gè)研究小組開(kāi)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(shuō)：“我們建議對(duì)卡車(chē)和管道進(jìn)行靈活的調(diào)度，讓它們既能作為存儲(chǔ)又能作為傳輸?！边@對(duì)于間歇性可再生能源產(chǎn)生的綠色氫氣非常重要，因?yàn)檫@可以提供額外的靈活性，以滿足供需的變化?！?/span>
氫被廣泛認(rèn)為是一種很有希望的經(jīng)濟(jì)脫碳途徑，因?yàn)樗绕突蛱烊粴舛寄馨嗟哪芰?，但作為一種能源時(shí)，它的排放量為零。然而，生產(chǎn)氫氣會(huì)產(chǎn)生大量的排放。根據(jù)美國(guó)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(guò)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(gè)過(guò)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(shuō)，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(dòng)汽車(chē)燃料以及鋼鐵精煉和氨氣生產(chǎn)等工業(yè)過(guò)程的燃料受到歡迎，這個(gè)數(shù)字將顯著上升。因此，實(shí)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(xiàng)任務(wù)通常通過(guò)電解完成，電解是一種通過(guò)電化學(xué)方法從水中提取氫氣的過(guò)程。
然而，使用可再生能源需要儲(chǔ)存，以便將能源從發(fā)電高峰的時(shí)間和地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到需求高峰的時(shí)間和地點(diǎn)。而且，存儲(chǔ)是昂貴的。
研究人員擴(kuò)展了他們關(guān)于儲(chǔ)存的想法來(lái)解決這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：他們?cè)谀Ｐ椭惺褂每ㄜ?chē)作為燃料傳輸和儲(chǔ)存的手段，因?yàn)闅淇梢院苋菀椎貎?chǔ)存在空轉(zhuǎn)的卡車(chē)中。他說(shuō)：“這種策略通過(guò)降低對(duì)其他存儲(chǔ)解決方案的需求，將氫氣供應(yīng)鏈的成本降低了約9%?！薄拔覀儼l(fā)現(xiàn)以這種方式使用卡車(chē)非常重要，”他說(shuō)它可以降低系統(tǒng)的成本，鼓勵(lì)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)?！?/span>
開(kāi)發(fā)模型
他說(shuō)，以前的研究試圖評(píng)估儲(chǔ)氫在電力系統(tǒng)中的潛在效益，但他們沒(méi)有從整個(gè)氫供應(yīng)鏈的角度考慮基礎(chǔ)設(shè)施投資需求。而這項(xiàng)工作對(duì)于實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。
對(duì)于新的模式，研究團(tuán)隊(duì)；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(duì)最小化系統(tǒng)成本和最大化社會(huì)效益感興趣。研究人員研究了氫氣供應(yīng)鏈中四個(gè)主要步驟的相關(guān)成本：生產(chǎn)、儲(chǔ)存、壓縮和傳輸?！背俏覀儾扇≌w的方法來(lái)分析整個(gè)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(shuō)。
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(wú)碳捕獲和儲(chǔ)存的SMR、氫氣作為氣體或液體的運(yùn)輸以及通過(guò)管道和卡車(chē)的運(yùn)輸?！蔽覀円呀?jīng)為氫氣供應(yīng)鏈開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(shuō)。
在考慮了所有的選擇之后，研究人員最終發(fā)現(xiàn)，與卡車(chē)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(chē)運(yùn)輸氫氣比卡車(chē)運(yùn)輸液態(tài)氫氣更便宜，因?yàn)橐夯忍烊粴鈮嚎s有更高的能源消耗和資本成本。
然后，他們提出了一個(gè)靈活的氫燃料卡車(chē)調(diào)度和路徑模型，使這些車(chē)輛能夠根據(jù)需要同時(shí)用作傳輸和儲(chǔ)存。他說(shuō)：“從計(jì)算上來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)特別具有挑戰(zhàn)性的步驟?！薄斑@是一個(gè)非常復(fù)雜的優(yōu)化模型，”他說(shuō)我們提出了一些技術(shù)來(lái)降低模型的復(fù)雜性?！?/span>
研究小組采用聚類和整數(shù)松弛技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)中的卡車(chē)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(jì)算性能，而不會(huì)對(duì)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(gè)模型，研究人員通過(guò)探索在各種碳政策和氫需求情景下美國(guó)東北部未來(lái)的氫基礎(chǔ)設(shè)施需求來(lái)測(cè)試這個(gè)模型。他們利用7年數(shù)據(jù)中的20個(gè)有代表性的星期，模擬了年度運(yùn)營(yíng)情況，并根據(jù)不同的碳價(jià)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(jià)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(shuō)。
不過(guò)，他說(shuō)研究結(jié)果還表明，利用電解制氫和利用壓縮氣體卡車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存之間存在著真正的協(xié)同作用。他解釋說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)很重要，因?yàn)椤耙坏┪覀兺顿Y于這些資產(chǎn)，就不能輕易地轉(zhuǎn)向其他資產(chǎn)?！?/span>
他補(bǔ)充說(shuō)，與管道和輸電線路等固定基礎(chǔ)設(shè)施相比，卡車(chē)的投資要靈活得多；卡車(chē)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(chǔ)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(shí)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(gè)系統(tǒng)中。人們正在安裝屋頂太陽(yáng)能電池板，因此你需要更多的資產(chǎn)來(lái)將能源傳輸?shù)较到y(tǒng)的其他部分，”他說(shuō)，并解釋說(shuō)，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(chǔ)或移動(dòng)存儲(chǔ)可以及時(shí)解決這一問(wèn)題?！?/span>
事實(shí)上，他和其他同事最近對(duì)公用事業(yè)規(guī)模的便攜式儲(chǔ)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(dòng)儲(chǔ)能可以顯著增加許多地區(qū)的儲(chǔ)能收入，并改善可再生能源的整合?！彼f(shuō)，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(dòng)存儲(chǔ)時(shí)，可以將其轉(zhuǎn)換為固定存儲(chǔ)?！?/span>
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(shuō)法，下一步是為規(guī)劃者提供廣泛使用該工具的途徑?！彼f(shuō)：“我們正在開(kāi)發(fā)開(kāi)源代碼，這樣人們就可以利用它為不同行業(yè)開(kāi)發(fā)最佳資產(chǎn)?！蔽覀冋谂κ鼓Ｐ透谩！?/span>
