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支持氢经济的供应链模型

麻省理工学院的研究人员发现,使用卡车作为储存和能源传输的手段可以降低氢气供应链的成本,并鼓励利用各种可再生能源生产绿色氢气。

作者:凯瑟琳M。奥尼尔 2021年6月10日
提供:霍尼韦尔热解决方案公司

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。但是,将经济从化石燃料转向清洁燃烧的氢气,需要对当前的供应链进行重大调整。为了促进这一转变,麻省理工学院领导的一个研究小组开发了一种新的氢气供应链规划模型。

麻省理工学院能源计划(mitenergypiative,MITEI)的博士后、最近一篇论文的主要作者何冠南(Guannan He)说:“我们建议对卡车和管道进行灵活的调度,让它们既能作为储存又能作为传输。”纸张出版单位IEEE可持续能源学报.“这对间歇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,以满足供求变化。”

氢被广泛认为是经济中许多部门脱碳的一条有前途的道路,因为它的重量比汽油或天然气更大,但作为能源使用时却零排放。然而,生产氢会产生大量的排放。根据美国能源效率和可再生能源办公室(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)的数据,目前生产的95%的氢气是通过蒸汽甲烷重整(SMR)产生的,这是一个能源密集型的过程,甲烷与水反应产生氢气和一氧化碳。这个过程的第二部分是向冷却的气体中加入蒸汽,将一氧化碳转化为二氧化碳(CO2.)产生更多的氢气。

最终,今天的氢气生产约占CO的4%2.他说,全球范围内的排放量,如果氢作为电动汽车和钢铁精炼、氨气生产等工业过程的燃料受到欢迎,那么这个数字将显著上升。因此,实现完全脱碳氢经济的愿景取决于利用可再生能源生产氢气,这项任务通常通过电解完成,电解是一种通过电化学方法从水中提取氢气的过程。

然而,使用可再生能源需要存储来将能源从发电高峰的时间和地点转移到需求高峰的地方。而且,储存是昂贵的。

研究人员扩展了他们关于储存的想法来解决这个关键问题:他们在模型中使用卡车作为燃料传输和储存的手段,因为氢可以很容易地储存在空转的卡车中。这种策略降低了对其他存储解决方案的需求,从而将氢气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,”他说它可以降低系统的成本,鼓励以可再生能源为基础的氢气生产,而不是以天然气为基础的生产。”

开发模型

他说,以前的研究试图评估储氢在电力系统中的潜在效益,但没有从整个氢供应链的角度考虑基础设施投资需求。而这项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研究生;和Clara F. Heuberger,壳牌全球解决方案国际B.V.的研究员,采用了中央计划者的观点,对最小化系统成本和最大化社会效益感兴趣。研究人员研究了氢供应链中四个主要步骤的成本:生产、储存、压缩和传输。“除非我们采取一种全面的方法来分析整个供应链,否则很难确定氢的前景。这项研究填补了文献上的空白。”Gençer说道。

为了确保他们的模型尽可能全面,研究人员纳入了一系列与氢气相关的技术,包括有无碳捕获和储存的SMR、氢气作为气体或液体的运输以及通过管道和卡车的运输。”我们已经为氢气供应链开发了一个可扩展的建模和决策工具,该工具充分体现了各种资源以及组件的灵活性,”Gençer说。

在考虑了所有选项后,研究人员最终发现,管道传输比卡车传输更不灵活(尽管改造天然气管道可以使氢气管道在某些用途上更具成本效益),而卡车运输氢气比卡车运输液态氢气更便宜,因为液化比气体压缩有更高的能源消耗和资本成本。

然后,他们提出了一个灵活的氢燃料卡车调度和路径模型,使这些车辆能够根据需要同时用作传输和储存。他说:“从计算上来说,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我们提出了一些技术来降低模型的复杂性。”

研究小组采用聚类和整数松弛技术,对系统中的卡车数量和SMR单元所需的投入使用明智的近似值。这使他们能够极大地提高程序的计算性能,而不会对成本和投资结果产生重大影响。

东北地区案例研究

模型建立后,研究人员通过探索在各种碳政策和氢需求情景下美国东北部未来的氢基础设施需求来对其进行测试。从7年的数据中选取20个有代表性的星期,他们模拟了每年的运营,并在不同的碳价格和电解槽的资本成本下确定了氢基础设施类型的最佳组合。

Gençer说:“我们表明,即使在碳价格非常高的情况下,天然气的甲烷蒸汽重整和碳捕获也将构成氢气生产和生产能力的重要组成部分。”。

不过,他说,研究结果也表明,使用电解制氢和使用压缩气体卡车进行输送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,就不能轻易地转向其他资产。”

他补充说,与管道和输电线路等固定基础设施相比,卡车的投资要灵活得多;卡车可以很容易地改变路线,为新能源发电设施和新的需求领域服务,甚至可以坐着提供储存,直到需要更多的传输能力。相比之下,修建新的输电线路或管道需要时间,而且不能迅速适应不断变化的需求。

“每天都有更多的可再生能源整合到系统中。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源传输到系统的其他部分,”他解释说,灵活的供应链可以最大限度地利用可再生能源。“一条输电线路可能需要10年才能建成,在此期间,这些可再生能源也不能使用。使用小规模、分布式、便携式存储或移动存储可以及时解决这一问题。”

事实上,他和其他同事最近对公用事业规模的便携式储能在加州的潜在应用进行了相关研究。在一个纸张出版于焦耳今年2月,他们表示,调动储能可以显著增加许多地区的储能收入,并改善可再生能源的整合。”他说,这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,可以将其转换为固定存储。”

现在,他和他的同事们已经建立了他们的氢气供应链规划模型,根据他的说法,下一步是为规划者提供广泛使用该工具的途径。”他说:“我们正在开发开源代码,这样人们就可以利用它为不同行业开发最佳资产。”我们正在努力使模型更好。”

这项研究得到了壳牌新能源研究与技术公司和麻省理工学院能源倡议低碳能源中心的支持,该中心致力于电力系统和碳捕获、利用和储存。这项研究发表在焦耳得到中国国家自然科学基金和美国能源部的资助。


凯瑟琳M。奥尼尔
作者简介:凯瑟琳M。奥尼尔,麻省理工学院能源倡议