能源效率

供应链模型构建以支持氢气经济

麻省理工学院研究人员发现使用卡车作为储存和能量传动装置降低了氢气供应链成本并鼓励可变可再生能源的绿色氢气产生。

由Kathryn M. O'Neill 2021年6月10日
礼貌:霍尼韦尔热溶液

对无碳能量的需求已经驱动了氢气的兴趣,作为环保燃料。但是将经济从化石燃料转移到清洁燃烧的氢气中需要在当前供应链中进行重大调整。为了促进这一转变,MIT-LED的研究人员开发了一种新的氢气供应链规划模型。

“我们建议灵活的卡车和管道调度,允许他们作为存储和传输,”Guannan He表示,MIT能源倡议(MITEI)和最近的领先作者由...出版可持续能源的IEEE交易。“这对由间歇性再生能源生产的绿色氢是非常重要的,因为这可以提供额外的灵活性,以满足供需的可变性。”

氢被广泛认识为脱碳许多经济部门的有希望的道路,因为它在更重量的比诸如汽油或天然气的能量上包装,但用作能量源时产生零排放。然而,生产氢气可以产生显着的排放。根据美国能源效率和可再生能源的办公室,通过蒸汽甲烷重整(SMR)产生95%的氢,一种能量密集型方法,其中甲烷与水反应产生氢气和一氧化碳。该方法的第二部分将蒸汽加入冷却的气体中以将一氧化碳转化为二氧化碳(CO2)产生更多的氢。

最终,今天的氢气产量约占CO的4%2他说,在全球的排放,如果氢气作为电动汽车的燃料以及钢精炼和氨生产,那么这个数字将显着上升。因此,实现了创造完全脱碳氢气经济性的愿景取决于使用可再生能量产生氢,经常通过电解完成的任务,这是一种从电化学中提取氢的方法。

但是,使用可再生能源需要存储以将能量从时代和位置移动到具有峰值需求的人。并且,存储昂贵。

研究人员扩大了他们对存储来解决这一关键问题的思考:它们在其模型中使用卡车,因为燃料传输和存储手段 - 由于氢气可以容易地存储在空缺的卡车中。通过降低对其他储存解决方案的需求,这种策略降低了氢气供应链的成本约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,并鼓励可再生的氢气生产,而不是基于天然气的生产。”

开发模型

他说,以前的研究已经试图评估储氢在电力系统中的潜在益处,但他说,他们没有考虑从整个氢气供应链的角度考虑基础设施投资需求。此类工作对于实现氢气至关重要。

对于新模式,研究团队 - 他;Mitei研究科学家emregençer和dharik mallapragada;Abhishek Bose,MIT Master的技术和政策学生;Shell Global Solutions International B.V的研究员和Clara F. Heuberger - 通过了一个关于最大限度地减少系统成本和最大化社会利益的中央计划者的角度。研究人员看着与氢气供应链中的四个主要步骤相关的成本:生产,储存,压缩和传输。“除非我们采取整体方法来分析整个供应链,否则很难确定氢的前景。这项工作填补了文学中的差距,“Gençer说。

为确保其型号尽可能全面,研究人员包括广泛的氢相关技术,包括SMR,无碳捕获和储存,氢气输送为气体或液体,通过管道和卡车传输。“我们开发了一种可扩展的建模和决策工具,用于氢气供应链,完全捕获各种资源的灵活性以及组件,”Gençer说。

在考虑所有选项的同时,研究人员发现管道比卡车更柔软的选择,而不是用于传输的卡车(尽管改造的气体管道可以使氢水管成本效益,并且货运氢气比货运氢气更便宜液体形式,由于液化具有比气体压缩更高的能量消耗和资金成本要高。

然后,它们提出了一种灵活的调度和路由模型,适用于氢气卡车,其能够根据需要使用车辆作为传输和存储。根据他,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,”他说。“我们提出了一些减少模型复杂性的技术。”

该团队选择为系统中的卡车数量和SMR单元所需的承诺使用明智近似,应用聚类和整数放松技术。这使他们能够大大提高他们计划的计算性能,而不会影响成本和投资结果的显着影响。

东北案例研究

一旦模型建造,研究人员通过在各种碳政策和氢需求方案下探索美国东北的未来氢基础设施需求来测试。使用七年数据的20个代表性周,他们模拟年度业务,并确定了氢基础设施类型的最佳组合,赋予不同的碳价格和电解器的资本成本。

“我们表明,即使在非常高的碳价格场景下,碳捕获的天然气的蒸汽甲烷改性是碳捕获的大部分,即使在非常高的碳价情况下也是如此。”

然而,他表示,结果还建议使用电解的氢气生成和使用压缩气体卡车来传播和储存的真正协同作用。这一发现很重要,他解释说,因为“我们投资于这些资产,我们不能轻易切换到他人。”

他补充说,卡车比静止基础设施更灵活,如管道和传输线;卡车可以很容易地重新排除,以服务新的能源发电设施和新的需求领域,甚至可以留下坐姿,直到需要更多的传输容量。相比之下,建立新的电力传输线或管道需要时间 - 并且它们不能快速适应不断变化的需求。

“您每天都有更多的可再生能源集成到系统中。人们正在安装屋顶太阳能电池板,因此您需要更多资产将能量传输到系统的其他部分,“他说,解释说,柔性供应链可以充分利用可再生的一代。“传输线可能需要10年才能构建,在此期间,也不能使用这些可再生能源。使用较小的尺度,分布式,便携式存储或移动存储可以及时解决这个问题。“

事实上,他和其他同事最近对加利福尼亚州潜在规模的便携式能源储存的潜在应用进行了相关的研究。在一个出版于焦耳2月份,他们表明,动员能量存储可以显着增加许多地区储存的收入,并改善可再生能源集成。他说,“它更灵活”,他说是额外的电网容量。“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创造了他们的氢气供应链规划模型,下一步,根据他,是为策划者提供广泛的工具。“我们正在开发开源代码,因此人们可以使用它来为不同的部门开发最佳资产,”他说。“我们正试图使模特更好。”

该研究得到了壳牌新能源研究和技术和用于电力系统和碳捕获,利用和储存的麻省理工学院能源倡议低碳能源中心。研究报告焦耳得到了中国国家自然科学基金的支持和美国能源部的补助金。


Kathryn M. O'Neill.
作者生物:Kathryn M. O'Neill,麻省理工学院能源倡议