中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：第5章—化學(xué)儲(chǔ)能
5.1化學(xué)儲(chǔ)能概述
化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)是將能量存儲(chǔ)在化學(xué)鍵中。雖然這種類型的儲(chǔ)能技術(shù)可以使用許多不同的化學(xué)物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但基本特征始終是相同的：采用電力產(chǎn)生一種化合物并存儲(chǔ)，直到需要釋放能量，再將化合物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。與電化學(xué)儲(chǔ)能或熱儲(chǔ)能相比，化學(xué)儲(chǔ)能具有某些優(yōu)勢(shì)——主要是相對(duì)于儲(chǔ)能容量而言成本較低，并且在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)的能量自放電率非常低。而這些屬性以及具有的獨(dú)立擴(kuò)展裝機(jī)容量和儲(chǔ)能容量的能力，使化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)適用于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。此外，與電化學(xué)儲(chǔ)能相比，化學(xué)儲(chǔ)能提供了將儲(chǔ)存的化學(xué)品直接用于電力系統(tǒng)以外的應(yīng)用的潛力：例如，儲(chǔ)存的化學(xué)品可以及 為運(yùn)輸和工業(yè)應(yīng)用中的燃料或原料。這種多用途的潛力可以提高化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)某些組件的資本利用率，從而提高該技術(shù)在電力部門(mén)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方面的成本效益。
化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有的潛力不限于特定的分子或分子組，因?yàn)榭梢允褂秒娏ιa(chǎn)許多分子。氫氣被廣泛認(rèn)為是一種技術(shù)領(lǐng)先的化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)，因?yàn)樗梢灾苯訌碾娏χ幸徊缴a(chǎn)出來(lái)，既可以作為燃料進(jìn)行發(fā)電，也可以作為其他工業(yè)過(guò)程的原料或熱源。由于氫氣在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下是一種氣體，因此需要專門(mén)的設(shè)備將其儲(chǔ)存為壓縮氣體或低溫液體。此外，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下，氫氣的體積能量密度（體積能量密度的定義是單位體積能量載體中包含的能量）大約是天然氣的三分之一?？梢詫錃庖夯栽黾悠潴w積能量密度，但要將氫氣冷卻至所需溫度-253℃，并在儲(chǔ)罐中保持該溫度的過(guò)程非常耗能。
為了獲得更高的體積能量密度，還可以將氫氣與其他分子結(jié)合以生產(chǎn)合成燃料或液態(tài)有機(jī)氫載體（LOHC）。例如，氫氣可以通過(guò)費(fèi)托合成工藝中與二氧化碳(CO2)結(jié)合，以生產(chǎn)合成碳?xì)浠衔铮缓罂梢詫⑵溆米鳜F(xiàn)有發(fā)電技術(shù)中的燃料?；蛘呖梢宰鳛樯a(chǎn)氨氣或甲醇的原料，這些化合物在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下都以液相形式存在，并且在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下比氫氣具有更高的體積能量密度。氨氣和甲醇可以轉(zhuǎn)化回氫氣或直接用于發(fā)電。
氫氣為上述每種化學(xué)儲(chǔ)能化合物的低碳生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，因此是本章討論的重點(diǎn)。基于氫氣的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)包括氫氣生產(chǎn)、氫氣運(yùn)輸和儲(chǔ)存以及使用氫氣作為燃料輸入的電力生產(chǎn)。
雖然氫氣在最終使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生碳排放，但無(wú)論其生產(chǎn)方式如何，深度脫碳還需要一種低碳工藝來(lái)生產(chǎn)氫氣。而研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)研究特別感興趣的氫氣的生產(chǎn)途徑是采用電力進(jìn)行電解。通過(guò)電解產(chǎn)生的氫氣可以被壓縮，并儲(chǔ)存在地上儲(chǔ)罐或地下地質(zhì)儲(chǔ)存設(shè)施中。在需要電力的時(shí)期，可以提取氫氣并用作燃料，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)或大型固定燃料電池發(fā)電。氫氣燃料發(fā)電資產(chǎn)可以作為現(xiàn)有天然氣燃料調(diào)峰電廠的直接零碳替代品，以在可變可再生能源 (VRE) 可用性低時(shí)平衡電網(wǎng)。地下地質(zhì)儲(chǔ)氫的成本低于以能源為基礎(chǔ)的電化學(xué)（即電池）的儲(chǔ)存成本。此外，成本相對(duì)較低的地下儲(chǔ)存可以按季節(jié)儲(chǔ)存大量氫氣，類似于當(dāng)前儲(chǔ)存天然氣和石油的方式。因此，規(guī)模化電解氫生產(chǎn)有可能成為長(zhǎng)期儲(chǔ)能、靈活負(fù)載的巨大來(lái)源，以解決電力系統(tǒng)不平衡問(wèn)題，這些不平衡可能在可再生能源可用性低的時(shí)候或來(lái)自其他不太靈活的最終用途的高電力需求期間出現(xiàn)。
5.1.1 制氫
化學(xué)儲(chǔ)能價(jià)值鏈的上游元素由制氫裝置組成。
產(chǎn)生氫氣的途徑有很多，其中一些途徑的碳密集度要高得多。迄今為止，一種稱為蒸汽甲烷重整(SMR)的過(guò)程（其中采用水和熱量用于將天然氣分子重整），已占全球和美國(guó)氫氣生產(chǎn)的絕大部分。但這個(gè)過(guò)程是碳密集型的：每生產(chǎn)1kg氫氣，就會(huì)產(chǎn)生8到10kg的二氧化碳。當(dāng)然可以采用碳捕集技術(shù)來(lái)減少高達(dá)95%的碳排放，但這種方法并不能完全消除碳排放。
由于這項(xiàng)研究的主要主題是儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)深度碳化中的作用，因此專注于使用電解制氫，這是一種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)。在電解過(guò)程中，電力用于將水分離成氫氣和氧氣。電解槽可以在低溫或高溫下運(yùn)行。高溫系統(tǒng)（例如固體氧化物電解槽）將蒸汽與制氫過(guò)程配對(duì)，以提高整體效率。然而，此類技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，需要外部蒸汽源才能運(yùn)行。存在將高溫電解與其他工業(yè)過(guò)程或核電生產(chǎn)放在一起以利用廢熱的潛力，但這些可能是相對(duì)于不需要外源熱源的低溫電解的利基機(jī)會(huì)。因此，將本章的討論限制在低溫電解槽——特別是堿性電解槽和質(zhì)子交換膜 (PEM) 電解槽，這是目前兩種最成熟的低溫電解技術(shù)。
（1）堿性電解槽
堿性電解槽是兩種主要低溫電解技術(shù)中較為成熟的一種。這些系統(tǒng)由陽(yáng)極和陰極組成，根據(jù)以下反應(yīng)：
陰極反應(yīng)：2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
陽(yáng)極反應(yīng)：2OH- →1/2 O2 + H2O + 2e-
總反應(yīng)：2H2O →O2 + 2H2
圖5.1描述了堿性電解槽的操作。
圖5.1 堿性電解槽反應(yīng)示意圖
堿性電解技術(shù)已經(jīng)使用了幾十年，但該技術(shù)有一些缺點(diǎn)：首先，堿性溶液具有腐蝕性；其次，緩慢的升溫限制了快速響應(yīng)需求的靈活性，降低了該技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的價(jià)值。
（2）PEM電解槽
與堿性電解槽一樣，PEM電解槽通過(guò)使用陽(yáng)極和陰極將水分解為其組成元素來(lái)生產(chǎn)氫氣。然而，在PEM電解槽中，陽(yáng)極和陰極在堿性溶液中被聚合物膜隔開(kāi)（相比之下，只有帶正電的氫分子被允許從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極）。圖5.2說(shuō)明了PEM電解槽的內(nèi)部操作。
圖5.2 PEM電解槽示意圖
PEM電解使用了少量的組件和泵，因此需要較少的維護(hù)工作。此外，使用膜代替堿性溶液可以最大限度地減少腐蝕。這種類型的電解槽能夠以各種規(guī)模運(yùn)行，以提供分布式或集中式氫氣生產(chǎn)。相對(duì)于堿性電解槽，這些系統(tǒng)在更高的壓力和純度下生產(chǎn)氫氣，在更低的溫度下運(yùn)行，并且可以在很寬的運(yùn)行范圍內(nèi)快速上升和下降，這從電網(wǎng)平衡的角度來(lái)看非常有價(jià)值。由于使用高成本的鉑和銥催化劑，這一直是PEM電解槽的主要劣勢(shì)。
5.1.2 氫氣的運(yùn)輸、分配和儲(chǔ)存
化學(xué)儲(chǔ)能價(jià)值鏈的中游環(huán)節(jié)將氫氣的上游生產(chǎn)與下游連接起來(lái) 因此產(chǎn)生消耗毫不奇怪，化學(xué)儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)可行性依賴于低成本儲(chǔ)氫技術(shù)的現(xiàn)成途徑。儲(chǔ)氫的兩種主要方式是地上和地下。
（1）地上儲(chǔ)氫
目前，氫氣在商業(yè)上儲(chǔ)存在地上儲(chǔ)罐中，就像其他工業(yè)氣體一樣。 這些罐可以將氣態(tài)氫存儲(chǔ)在加壓罐中（圖5.3），也可以將液態(tài)氫氣存儲(chǔ)在配備制冷技術(shù)的罐中。
鑒于地上儲(chǔ)存的技術(shù)成熟度，壓縮和冷藏罐為儲(chǔ)存氫氣提供了一種選擇。 此外，與接下來(lái)討論的地下儲(chǔ)存相比，地上儲(chǔ)氫提供了不受地質(zhì)限制而儲(chǔ)存氫氣的機(jī)會(huì)。
圖5.3 加壓儲(chǔ)氫罐
（2）地下儲(chǔ)氫
地下儲(chǔ)氫或地質(zhì)儲(chǔ)氫是一項(xiàng)商業(yè)上可行的技術(shù)，已經(jīng)大規(guī)模部署——事實(shí)上，氫氣目前儲(chǔ)存在世界各地許多地方的地下鹽洞中。地下儲(chǔ)存設(shè)施比地上設(shè)施大得多，并且能夠以能源為基礎(chǔ)儲(chǔ)存更多數(shù)量級(jí)的氫氣。然而，地下儲(chǔ)存需要合適的地質(zhì)條件，并且可以開(kāi)采的鹽穴位置有限。圖5.4顯示了美國(guó)的鹽床和鹽丘。
圖5.4美國(guó)鹽床和鹽丘的分布情況
根據(jù)研究，唯一商業(yè)上可行的鹽洞可以在鹽丘中開(kāi)采。 然而，猶他州的先進(jìn)清潔能源儲(chǔ)存 (ACES) 項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)一個(gè)鹽洞，用于在層狀巖鹽沉積物中儲(chǔ)存氫氣。這些洞穴是通過(guò)一種稱為浸出的過(guò)程開(kāi)采的。而在這一過(guò)程中，先在鹽丘上鉆一個(gè)洞，然后用淡水浸出鹽分，直到開(kāi)采出一個(gè)大致呈圓柱形的洞穴。 圖 5.5 顯示了用于儲(chǔ)氫的鹽穴的示意圖。
圖5.5 用于儲(chǔ)氫的地下鹽穴示意圖
作為參考，天然氣也儲(chǔ)存在美國(guó)各地的地下。然而，這些儲(chǔ)存地點(diǎn)不限于鹽丘。2019年，美國(guó)地下儲(chǔ)存設(shè)施每天輸送的天然氣中只有8%儲(chǔ)存在鹽穴中。天然氣還儲(chǔ)存在枯竭的油氣井、含水層和硬巖洞穴中。但由于其物理化學(xué)性質(zhì)，氫氣只能儲(chǔ)存在鹽穴中。具體來(lái)說(shuō)，氫氣的反應(yīng)性存在問(wèn)題，氫分子的物理尺寸可能導(dǎo)致其他類型的地質(zhì)儲(chǔ)存介質(zhì)泄漏——而這是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。
5.1.3 氫氣燃料
化學(xué)儲(chǔ)能價(jià)值鏈的下游環(huán)節(jié)涉及將氫氣轉(zhuǎn)化為電能。這一步可以使用幾種技術(shù)：例如傳統(tǒng)的火力發(fā)電機(jī)廠（如燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)或聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠）可以直接使用氫氣作為燃料，或者氫氣可以用于大型固定式燃料電池。
（1）火電廠
由于氫氣的物理化學(xué)特性，現(xiàn)有的火力發(fā)電機(jī)需要重新設(shè)計(jì)以利用氫作為燃料輸入。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，氫氣燃燒雖然不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，但會(huì)排放氮氧化物(NOx)，這是一種與酸雨和地面臭氧有關(guān)的污染物。事實(shí)上，氫氣燃燒的更高溫度意味著NOx排放量幾乎是天然氣燃燒水平的兩倍。從歷史上看，熱電廠的NOx排放是通過(guò)在燃燒前預(yù)先混合空氣和燃料來(lái)控制的。用蒸汽、水或氮?dú)庀♂屓剂?，或去除廢氣。鑒于氫氣相對(duì)于天然氣具有更高的可燃性極限，因此在燃燒之前將燃料與空氣預(yù)混合是有問(wèn)題的。因此，許多原始設(shè)備制造商(OEM)正在積極研究和開(kāi)發(fā)具有適當(dāng)稀釋劑水平的氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)，以及將燃燒過(guò)程中的NOx排放保持在適當(dāng)?shù)退剿璧膹U氣管理系統(tǒng)。
根據(jù)與燃?xì)廨啓C(jī)原始設(shè)備制造商的對(duì)話，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，新建氫燃料熱電廠和改造現(xiàn)有電廠以使用氫氣作為主要燃料在技術(shù)上和商業(yè)上都是可行的。一些改造天然氣發(fā)電廠的以及宣布計(jì)劃改造現(xiàn)有的天然氣發(fā)電廠，可以在十年內(nèi)使用氫氣和天然氣的混合物運(yùn)行，以燃燒100%的氫燃料。
（2）燃料電池
燃料電池的機(jī)械結(jié)構(gòu)類似于電解槽。事實(shí)上，燃料電池可以簡(jiǎn)單地描述為一種反向運(yùn)行的電解槽。燃料電池以氫氣和氧氣作為燃料輸入，并將氫氣轉(zhuǎn)化為電能和水。圖5.6顯示了燃料電池的示意圖。
圖5.6 PEM燃料電池示意圖
與火力發(fā)電設(shè)施相比，燃料電池是一種更為新生的技術(shù)。在開(kāi)發(fā)適用于車輛應(yīng)用的燃料電池方面已經(jīng)取得了許多突破，但可用于發(fā)電的兆瓦級(jí)固定燃料電池的開(kāi)發(fā)卻已經(jīng)滯后。就美國(guó)已開(kāi)發(fā)的固定燃料電池項(xiàng)目而言，這些項(xiàng)目通常使用天然氣輸入而不是氫氣。通過(guò)重整天然氣在內(nèi)部生產(chǎn)氫氣。然后將產(chǎn)生的氫氣用于發(fā)電。
5.1.4 化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的組合元件
如果將化學(xué)儲(chǔ)能價(jià)值鏈的元素組合起來(lái)，清晰地描繪出基于氫氣的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖5.7顯示了化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作示意圖。
圖5.7 化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作示意圖
如上所述，化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理是直接從電網(wǎng)或?qū)Ｓ冒l(fā)電源獲取電力，通過(guò)電解槽的運(yùn)行產(chǎn)生氫氣，然后運(yùn)輸和儲(chǔ)存氫氣，并通過(guò)天然氣發(fā)電產(chǎn)生電能。
使用這種化學(xué)儲(chǔ)能途徑儲(chǔ)存能量的總成本，包括生產(chǎn)氫氣所需的電力成本和使用氫氣將作為燃料輸入發(fā)電的成本。
5.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型
使用上一節(jié)中描述的框架，建立了自下而上的模型來(lái)評(píng)估化學(xué)儲(chǔ)能價(jià)值鏈中每個(gè)元素的技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)。 這些模型可以結(jié)合起來(lái)估算通過(guò)氫氣燃料發(fā)電廠產(chǎn)生的電力的總成本，其中氫氣是由電網(wǎng)供電產(chǎn)生的。
5.2.1 制氫成本
為了模擬從堿性電解槽和PEM電解槽生產(chǎn)氫氣的成本，研究團(tuán)隊(duì)考慮了一些變量：
?資本支出
?固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本
?電力成本
?水費(fèi)
?電解槽容量系數(shù)
?電解槽的效率
該模型使用這些變量來(lái)求解制氫成本。
（1）2020年成本估算
為了估算2020年使用電網(wǎng)供電電解制氫的成本，首先設(shè)定表5.1所示的假設(shè)。
表5.1 制氫成本建模假設(shè)
（2）電解槽資本成本和運(yùn)營(yíng)成本
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)電解槽資本和運(yùn)營(yíng)成本的估計(jì)是基于對(duì)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)和商業(yè)出版物的回顧。圖5.8顯示了預(yù)測(cè)堿性電解槽和PEM電解槽技術(shù)的資本成本將會(huì)降低。
圖5.8 堿性電解槽和PEM電解槽的成本預(yù)測(cè)
基于這些預(yù)測(cè)，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)2020年堿性電解槽的資本成本為850美元/kW。對(duì)PEM電解槽的資本成本估計(jì)為1,240美元/kW。這些估算成本包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成本和設(shè)備平衡成本。為了將這些資本成本轉(zhuǎn)化為安裝成本，其模型假設(shè)“軟成本”系數(shù)為30%。這一因素基于美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的H2A模型，并考慮了與采購(gòu)?fù)恋?、獲得許可和建造設(shè)施相關(guān)的總成本。在包括這些成本之后，估計(jì)堿性電解槽的資本成本為1,200美元/kW，PEM電解槽為1,800美元/kW。研究團(tuán)隊(duì)的模型假設(shè)2020年P(guān)EM電解槽系統(tǒng)的年度固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(FOM)成本為每年75.2美元/kW。將相同比例的固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(FOM)成本應(yīng)用于資本成本，估計(jì)堿性電解槽的固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(FOM)成本為每年55美元/kW。該模型解決了可變成本，特別是電力和水。
（3）電解槽技術(shù)規(guī)格
電解槽在技術(shù)上很復(fù)雜。為了估算這兩種電解槽的制氫成本，研究團(tuán)隊(duì)考慮了三個(gè)主要技術(shù)參數(shù)：氫氣流量、耗水量和效率。
氫氣流量是指氫氣產(chǎn)生的速率。它能夠以氫氣的質(zhì)量、體積或單位時(shí)間的能量含量為單位進(jìn)行描述，也可以以功率為單位進(jìn)行描述。在這項(xiàng)研究中，假設(shè)堿性電解槽以每小時(shí)60立方米的速度生產(chǎn)氫氣，而PEM電解槽以每小時(shí)1,000立方米的速度生產(chǎn)氫氣。這一數(shù)字基于制造商康明斯公司采購(gòu)的電解槽的技術(shù)規(guī)格。
電解槽的效率以產(chǎn)生一單位氫氣所需的電能來(lái)衡量。模型假設(shè)兩種類型的系統(tǒng)具有相同的效率，并且需要 5.2 kWh的電力來(lái)生產(chǎn)一立方米的氫氣 (kWh/m3)。表 5.2 總結(jié)了研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這兩種電解槽成本和技術(shù)規(guī)格的假設(shè)。
表5.2 電解槽技術(shù)的操作變量
使用這些假設(shè)，該模型解決了在一系列電力成本和工廠產(chǎn)能因素（其中產(chǎn)能因素是工廠利用率的衡量標(biāo)準(zhǔn)，通常計(jì)算為實(shí)際輸出與最大輸出的比率）下生產(chǎn)氫氣的成本。結(jié)果如圖5.9所示。
圖5.9 2021電解制氫成本模型
根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的模型，使用當(dāng)前（2020年）成本和技術(shù)假設(shè)，通過(guò)電解生產(chǎn)氫氣的最低可實(shí)現(xiàn)成本為每kg1.32美元，對(duì)于以100%容量系數(shù)運(yùn)行，并使用免費(fèi)或無(wú)成本電力（即電力成本為0美元/MWh）。盡管在可再生能源高可用性期間電價(jià)可能會(huì)降至零，但一年中的每小時(shí)都不會(huì)獲得免費(fèi)的電力。對(duì)于許多工業(yè)客戶而言，成本為50美元/MWh，更接近于實(shí)際交付的電力成本，堿性電解槽可實(shí)現(xiàn)的最低制氫成本為4.70美元/kg。
圖 5.10 顯示了不同電解槽容量因素細(xì)分的成本要素。盡管資本成本不可忽略，尤其是在容量因素較低的情況下，但很明顯，一旦電解槽用率達(dá)到或超過(guò) 50%，制氫的大部分平準(zhǔn)化成本是由為電解槽供電的電力成本驅(qū)動(dòng)的。需要注意的是，圖 5.10 比較了不同成本驅(qū)動(dòng)因素在不同容量因素下的作用，但它沒(méi)有顯示最終生產(chǎn)成本。此外，該圖假設(shè)電力價(jià)格為 0.05 美元/kWh。在較低的容量因素下，可能將電解槽利用率限制在電價(jià)低于 0.05 美元/kWh 甚至接近于零的時(shí)期（例如當(dāng)可再生能源發(fā)電過(guò)剩時(shí)），從而降低最終生產(chǎn)成本。因此，不應(yīng)將這一數(shù)字解讀為氫氣生產(chǎn)在較低的電解容量因素下必然不是經(jīng)濟(jì)可行的，因?yàn)樵谶@種情況下，資本成本占相對(duì)較大的比例總成本的份額。
圖5.10 按變量列出的成本明細(xì)
（4）2050年的成本預(yù)測(cè)
雖然對(duì)電解制氫的經(jīng)濟(jì)性的回顧為化學(xué)儲(chǔ)能的潛在作用提供了有用的視角，但氫氣不太可能在短期內(nèi)作為儲(chǔ)能介質(zhì)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)槟壳暗某杀咎咔宜璧闹С只A(chǔ)設(shè)施并不完善可用。因此，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)2050年（這一研究感興趣的時(shí)間框架）的氫氣生產(chǎn)成本進(jìn)行了建模，使用了一系列關(guān)于各種技術(shù)特定成本因素在未來(lái)30年可能如何變化的假設(shè)（表5.3）。
表 5.3按生產(chǎn)技術(shù)劃分的成本和運(yùn)營(yíng)假設(shè)（2020年和2050年）
表5.3中的資本成本是根據(jù)圖5.8為每種技術(shù)估算的，并假設(shè)固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本與資本成本的模擬減少成比例。雖然并沒(méi)有假設(shè)兩種電解槽技術(shù)的氫氣產(chǎn)量或水消耗率沒(méi)有任何變化，但確實(shí)考慮了電解槽效率提高的影響。在高成本情況下，假設(shè)在2020年至2050年期間，堿性系統(tǒng)沒(méi)有效率提升，而PEM系統(tǒng)只有邊際改進(jìn)。在低成本情況下，假設(shè)每種技術(shù)都會(huì)大幅提高效率。研究的中間成本估計(jì)介于兩者之間。圖5.11顯示了基于表5.3中匯總的輸入假設(shè)的模擬制氫成本。
圖5.11 2050年制氫成本預(yù)測(cè)
在研究團(tuán)隊(duì)的模型中，2050年通過(guò)電解生產(chǎn)氫氣的最低成本為0.70美元/kg。這低于美國(guó)能源部(DOE)設(shè)定的2030年成本目標(biāo)，該目標(biāo)是2021年6月宣布的“地球快照”計(jì)劃的一部分。與當(dāng)前成本的估計(jì)相比，研究團(tuán)隊(duì)的模型表明，隨著電解槽容量系數(shù)從0%增加到25%并在超過(guò)25%的容量系數(shù)時(shí)趨于平穩(wěn)，未來(lái)的成本會(huì)迅速下降。在低容量因素下生產(chǎn)成本的快速下降反映了使用低成本電網(wǎng)生產(chǎn)可負(fù)擔(dān)的低碳?xì)錃?。根?jù)圖5.11所示的結(jié)果，在成本下降開(kāi)始放緩之前，2020年電解槽的容量系數(shù)必須非常高（超過(guò)60%）。由于在研究團(tuán)隊(duì)對(duì)2050年的成本預(yù)測(cè)中較早出現(xiàn)了這一穩(wěn)定期，可變可再生發(fā)電機(jī)的發(fā)電概況將允許生產(chǎn)低成本、低碳的氫氣。
5.2.2 儲(chǔ)氫成本
如上所述，氫氣可以作為壓縮氣體或液體儲(chǔ)存在地上儲(chǔ)罐中；或者可以作為氣體儲(chǔ)存在地下地質(zhì)儲(chǔ)存設(shè)施中。為了在建模分析中量化氫價(jià)值鏈的存儲(chǔ)元素，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)了與建造氫氣存儲(chǔ)資產(chǎn)相關(guān)的資本成本、與運(yùn)營(yíng)這些資產(chǎn)相關(guān)的固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本以及資產(chǎn)的效率。資本成本按每單位存儲(chǔ)成本計(jì)量；出于建模的目的，使用美元/MWh來(lái)衡量?jī)?chǔ)存的氫氣的價(jià)值。1MWh的氫氣大約相當(dāng)于30kg的氫氣。研究團(tuán)隊(duì)使用能量單元進(jìn)行儲(chǔ)氫，以便與其他儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行比較。假設(shè)年度固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本是資本成本的一部分。其效率以百分比形式；它說(shuō)明了在儲(chǔ)存之前壓縮氫氣所需的能量。例如，93%的效率意味著在調(diào)節(jié)氫氣以進(jìn)行儲(chǔ)存的過(guò)程中消耗了相當(dāng)于原始?xì)錃饬恐?%的能量含量。表5.4顯示了用于估算儲(chǔ)氫成本的每個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的2020年和2050年假設(shè)。
表5.4 儲(chǔ)氫技術(shù)的經(jīng)濟(jì)估算（2020年和2050年）
5.2.3 氫氣發(fā)電成本
與研究團(tuán)隊(duì)估算上游制氫成本的方法類似，建立了一個(gè)自下而上的模型來(lái)評(píng)估使用氫氣發(fā)電的成本。為此考慮三種發(fā)電技術(shù)：燃?xì)廨啓C(jī)、聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和大型固定式燃料電池。
其模型通過(guò)求解幾個(gè)變量來(lái)計(jì)算氫氣發(fā)電的總成本：
?資本成本
?固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(FOM)成本
?可變運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(VOM)成本
?發(fā)電效率
（1）技術(shù)經(jīng)濟(jì)假設(shè)
鑒于此類發(fā)電設(shè)施尚未得到廣泛開(kāi)發(fā)，并且有關(guān)現(xiàn)有的少數(shù)電廠的安裝成本的信息未公開(kāi)獲得，因此很難估計(jì)氫氣燃料發(fā)電設(shè)施的資本成本。在與原始設(shè)備制造商的討論中，估計(jì)100%氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的資本成本為1,000美元/kW。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步假設(shè)在燃?xì)廨啓C(jī)后端需要一個(gè)額外的NOx控制元件來(lái)解決NOx排放問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)選擇性催化還原(SCR)資產(chǎn)已集成到系統(tǒng)中。為NOx控制系統(tǒng)增加320美元/kW的資本成本使氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的總資本成本估計(jì)為1,320美元/kW。為了估算燃?xì)渎?lián)合循環(huán)電廠的資本成本，使用美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)發(fā)布的年度技術(shù)基線(ATB)數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算天然氣聯(lián)合循環(huán)電廠的資本成本比率以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)單位資本成本。然后，將這一比率應(yīng)用于對(duì)氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)的資本成本估算（即1,320美元/kW），以估算資本氫燃料聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠的成本為1,333美元/kW。
為了預(yù)測(cè)資本成本的降低，研究團(tuán)隊(duì)依靠美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的年度技術(shù)基準(zhǔn)(ATB)報(bào)告對(duì)天然氣燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)電廠的資本成本預(yù)測(cè)。假設(shè)氫氣火力發(fā)電機(jī)的資本成本將與天然氣火力發(fā)電機(jī)的成本一致。 在高成本案例中，假設(shè) ATB 中的資本成本r 降低預(yù)測(cè)沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，在中等成本案例中，假設(shè)成本降低遵循 ATB，在低成本案例中，假設(shè)成本降低比ATB更激進(jìn)。
鑒于氫氣發(fā)電技術(shù)的初期，假設(shè)這些技術(shù)的固定和可變運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本與天然氣發(fā)電廠相同。根據(jù)年度技術(shù)基準(zhǔn)(ATB)報(bào)告，預(yù)計(jì)這些值不會(huì)隨時(shí)間變化；因此，假設(shè)氫燃料發(fā)電資產(chǎn)的固定和可變運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本沒(méi)有變化。
世界各地的能源開(kāi)發(fā)商和原始設(shè)備制造商都在開(kāi)發(fā)燃料電池技術(shù)，其中包括與系統(tǒng)分離的內(nèi)部蒸汽甲烷重整(SMR)裝置，以用由氫氣和氧氣驅(qū)動(dòng)的燃料電池。鑒于這種類型的大規(guī)模燃料電池技術(shù)仍處于發(fā)展的初級(jí)階段，很難估計(jì)未來(lái)的成本。PEM燃料電池的初始資本成本估計(jì)約為3,000美元/kW。但勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室估計(jì)，規(guī)模經(jīng)濟(jì)和通過(guò)邊做邊學(xué)提高制造效率，在未來(lái)可以將PEM燃料電池資本成本降低到大約950美元/kW。以百分比計(jì)算，這種規(guī)模的成本下降與電解槽的估計(jì)成本下降相當(dāng)。鑒于用于構(gòu)建電解槽和燃料電池系統(tǒng)的材料和制造工藝相似，這兩種技術(shù)都會(huì)經(jīng)歷是有道理的類似的成本下降。
根據(jù)主要參考資料，對(duì)PEM燃料電池效率的估計(jì)在2030年為50%。相比之下，目前的效率約為45%。鑒于與PEM燃料電池技術(shù)相關(guān)的不確定性，假設(shè)2050年的效率在中等成本案例中保持在50%。對(duì)于低成本案例，假設(shè)效率邊際提高到55%。
基于PEM燃料電池和PEM電解槽之間的技術(shù)相似性，假設(shè)固定運(yùn)營(yíng)和維護(hù)(FOM)成本相似。具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)PEM燃料電池的所有運(yùn)營(yíng)成本都包含在年度FOM費(fèi)用中，并且該費(fèi)用是整個(gè)預(yù)測(cè)期內(nèi)安裝資本成本的4.2%。
對(duì)下游發(fā)電成本的建模假設(shè)總結(jié)在表5.5和5.6中。
表5.5 下游發(fā)電成本模型中使用的總體假設(shè)
表5.6 不同發(fā)電技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)投入（2020年和2050年）
（2）2020年氫基發(fā)電的估計(jì)成本
使用表5.6中列出的假設(shè)，估算了不同發(fā)電技術(shù)的發(fā)電成本。這種技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的結(jié)果如圖5.12和5.13所示。
圖5.12 2020年氫燃料發(fā)電成本與容量因數(shù)的模型對(duì)比
圖5.13 2020年氫燃料發(fā)電成本與工廠生產(chǎn)氫氣價(jià)格的模型對(duì)比
對(duì)于圖5.12和5.13中的一些觀察值得強(qiáng)調(diào)。首先，很明顯，無(wú)論發(fā)電技術(shù)如何，隨著容量系數(shù)從0%增加到15%，發(fā)電成本都會(huì)急劇下降。此后，進(jìn)一步的成本降低開(kāi)始顯著趨于平穩(wěn)。其次，根據(jù)假設(shè)，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠在一系列容量因素和氫氣價(jià)格方面產(chǎn)生最具成本競(jìng)爭(zhēng)力的氫氣發(fā)電。第三，有一個(gè)門(mén)檻，根據(jù)工廠容量因素和工廠門(mén)口的氫氣價(jià)格，PEM燃料電池比燃?xì)廨啓C(jī)更便宜地發(fā)電。
（3）2050年氫基發(fā)電成本預(yù)測(cè)
利用不同發(fā)電技術(shù)的預(yù)測(cè)成本和運(yùn)營(yíng)特征（表5.6），能夠估算這些技術(shù)產(chǎn)生的電力成本。這一建模練習(xí)的結(jié)果如圖5.14和5.15所示。
圖5.14 2050年技術(shù)發(fā)電的預(yù)測(cè)成本與容量因數(shù)
圖5.15 技術(shù)發(fā)電的預(yù)測(cè)成本與氫氣價(jià)格
值得注意的是，在建模的發(fā)電技術(shù)中，到2050年，聯(lián)合循環(huán)渦輪機(jī)仍能產(chǎn)生成本最低的電力，涵蓋所有氫氣價(jià)格和容量因素。相對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)對(duì)2020年的估計(jì)，PEM燃料電池的預(yù)測(cè)發(fā)電成本更接近于燃?xì)廨啓C(jī)。這主要是因?yàn)轭A(yù)測(cè)PEM資本成本相對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)資本成本將大幅下降。鑒于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為不太可能出現(xiàn)更便宜的燃?xì)廨啓C(jī)替代品。Hernandez和Gen?er公司最近發(fā)表了一項(xiàng)加利福尼亞的案例研究。另一方面，固定式PEM燃料電池處于開(kāi)發(fā)的早期階段。如上所述，這意味著該技術(shù)仍然可以從成本大幅下降中受益，因?yàn)閿U(kuò)大部署會(huì)導(dǎo)致制造工藝增強(qiáng)，并產(chǎn)生規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
5.3 化學(xué)儲(chǔ)能及電力市場(chǎng)動(dòng)態(tài)
在上一節(jié)中考慮的三種發(fā)電技術(shù)中，在模擬的所有案例中，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠產(chǎn)生的氫基電力成本最低。值得注意的是，在“現(xiàn)實(shí)”的未來(lái)案例中，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的氫氣最低成本為1美元/kg和30%的產(chǎn)能系數(shù)，約為120美元/MWh。圖5.16顯示了2019年洛杉磯地區(qū)的一天每小時(shí)電價(jià)的直方圖；垂直線表示每小時(shí)120美元/MWh價(jià)格。
圖5.16 2019年美國(guó)洛杉磯地區(qū)的每小時(shí)電價(jià)柱狀圖
當(dāng)然，未來(lái)深度脫碳電力系統(tǒng)的每小時(shí)電力價(jià)格分布幾乎肯定會(huì)與當(dāng)前系統(tǒng)的分布大不相同。盡管如此，分析中的結(jié)果與以下觀點(diǎn)一致，即用作儲(chǔ)能介質(zhì)的氫氣將有助于解決電力系統(tǒng)中的不平衡問(wèn)題。主要由可再生能源發(fā)電設(shè)施供電的電網(wǎng)將出現(xiàn)供需失衡。短期不平衡將通過(guò)鋰離子電池等更具成本效益的短時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)解決，但如果不平衡持續(xù)存在（例如有幾周時(shí)間風(fēng)力或陽(yáng)光不足），電力市場(chǎng)將反映供應(yīng)稀缺。而這時(shí)將是氫燃料發(fā)電設(shè)施可以提供電力的時(shí)代。本文將通過(guò)將氫氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)集成到不同脫碳情景下的電力市場(chǎng)建模中來(lái)探討這種動(dòng)態(tài)。
5.4 電力部門(mén)以外的氫需求
雖然隨著電力系統(tǒng)從極低碳排放過(guò)渡到零碳排放，將需要化學(xué)儲(chǔ)能（以及更普遍的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能），但電力部門(mén)很可能不會(huì)成為未來(lái)氫氣需求的主要驅(qū)動(dòng)力。與其相反，氫氣更有可能在經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上與能源部門(mén)其他領(lǐng)域的低碳替代品競(jìng)爭(zhēng)，尤其是交通、建筑和工業(yè)。
例如，根據(jù)歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合企業(yè) (FCH)的預(yù)計(jì)，交通運(yùn)輸和天然氣脫碳的努力將在2050年推動(dòng)歐洲對(duì)氫氣的大部分需求。在電力部門(mén)脫碳和可再生能源的應(yīng)用中之下，一體化預(yù)計(jì)僅占?xì)錃庑枨蟮暮苄∫徊糠郑s0.5%）。市場(chǎng)需求增加將降低綠色氫氣生產(chǎn)技術(shù)的成本，最終使氫氣發(fā)電更具成本競(jìng)爭(zhēng)力。然而，對(duì)氫氣的最終需求將因地區(qū)而異。美國(guó)能源部估計(jì)，到2050年，用戶對(duì)氫氣的需求可能會(huì)增長(zhǎng)10倍，電力部門(mén)約占總需求的15%。雖然這將比目前預(yù)計(jì)的在最終氫需求中所占的份額更大歐洲基于歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合企業(yè)(FCH) 的預(yù)測(cè)，在美國(guó)能源部的預(yù)測(cè)中，使用氫氣作為存儲(chǔ)介質(zhì)的季節(jié)性儲(chǔ)能仍僅占美國(guó)氫需求總量的一小部分。
5.5 結(jié)論和要點(diǎn)
氫氣和其他化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)可能在未來(lái)的脫碳能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。但是，雖然儲(chǔ)能容量成本較低可以使氫氣和源自氫氣的燃料成為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的理想候選者，但這些燃料存在儲(chǔ)能之外的價(jià)值流。也就是說(shuō)，隨著各國(guó)追求其經(jīng)濟(jì)范圍的脫碳，部門(mén)耦合可能會(huì)刺激工業(yè)和交通部門(mén)對(duì)清潔氫氣的需求。此外，為滿足其他部門(mén)的能源需求而生產(chǎn)氫氣，可以作為電力部門(mén)的需求側(cè)管理策略提供的價(jià)值（例如，當(dāng)電網(wǎng)必須管理過(guò)量的可再生能源發(fā)電時(shí)，氫氣生產(chǎn)設(shè)施可以運(yùn)行）。此外，必須積極解決關(guān)鍵的監(jiān)管問(wèn)題，例如美國(guó)目前缺乏氫能基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)的監(jiān)管框架，使氫氣不能地在能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
從研究團(tuán)隊(duì)對(duì)氫氣作為電力部門(mén)儲(chǔ)能介質(zhì)的潛在作用的考慮中得出了幾個(gè)關(guān)鍵結(jié)論：
?以能源為基礎(chǔ)的低資本成本和整個(gè)價(jià)值鏈的高技術(shù)準(zhǔn)備水平使氫氣等化學(xué)能源介質(zhì)成為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的可行選擇。
?研究團(tuán)隊(duì)的分析特別關(guān)注氫氣，因?yàn)闅錃獾纳a(chǎn)、大容量?jī)?chǔ)存和消耗可以在沒(méi)有碳排放的情況下進(jìn)行。
?其他化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)的生產(chǎn)通常需要在過(guò)程中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)生產(chǎn)氫氣。氫氣衍生能源儲(chǔ)存化學(xué)品的生產(chǎn)導(dǎo)致整個(gè)價(jià)值鏈效率低下。
?目前，氫氣作為眾多工業(yè)過(guò)程的原料被生產(chǎn)、運(yùn)輸和銷售給工業(yè)界。沒(méi)有顯著的消費(fèi)市場(chǎng)。
?氫氣價(jià)值鏈的所有方面都存在經(jīng)過(guò)商業(yè)驗(yàn)證的技術(shù)，但氫氣發(fā)電除外。
?在開(kāi)發(fā)以氫氣為燃料的發(fā)電技術(shù)方面取得了進(jìn)展。
–許多燃?xì)廨啓C(jī)原始設(shè)備制造商正在推動(dòng)開(kāi)發(fā)100%以氫為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)裝置，這些裝置將通過(guò)氫氣燃燒產(chǎn)生電力。這種發(fā)電方式依賴于成熟的技術(shù)；然而，現(xiàn)有技術(shù)必須適應(yīng)氫氣更高的燃燒溫度、更長(zhǎng)的火焰長(zhǎng)度和隨后的NOx排放。由于技術(shù)本身已經(jīng)成熟，與改進(jìn)氫基發(fā)電技術(shù)相關(guān)的潛在成本降低是微不足道的。
–還在努力開(kāi)發(fā)固定式燃料電池，這種電池將通過(guò)氫和氧合成水來(lái)發(fā)電。相對(duì)于更成熟的燃燒技術(shù)，這種發(fā)電方式的成本目前非常昂貴。然而，鑒于燃料電池與電解槽的相似性，預(yù)計(jì)燃料電池的成本將急劇下降。
?雖然儲(chǔ)存氫氣的低成本使得氫氣成為長(zhǎng)期應(yīng)用的有吸引力的儲(chǔ)能介質(zhì)，但相對(duì)于類似定位的火力發(fā)電資產(chǎn)而言，使用氫氣作為燃料發(fā)電非常昂貴。
? 長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可能不會(huì)成為未來(lái)脫碳能源系統(tǒng)中氫氣需求的主要驅(qū)動(dòng)力，其原因很簡(jiǎn)單，氫氣作為一種間接使難以實(shí)現(xiàn)的能源終端用途電氣化的方式將更有價(jià)值，例如運(yùn)輸和工業(yè)（例如在長(zhǎng)途車輛中使用氫燃料電池）。 未來(lái)對(duì)氫氣的需求也可能受到工業(yè)過(guò)程加熱、航空和海運(yùn)等需求的推動(dòng)。只要電網(wǎng)還采用廉價(jià)的天然氣發(fā)電資產(chǎn)，氫氣發(fā)電就很難在電力市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)。
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