氢气在能源系统脱碳中的关键作用及系统灵活性研究

为解决能源系统脱碳问题，研究人员分析 2050 年英国净零电力和天然气系统，发现氢气可助力减排，增强系统灵活性。

　　在全球努力实现碳中和的大背景下，能源系统的脱碳转型成为关键议题。当前，传统能源在全球能源结构中仍占据重要地位，其使用带来的碳排放对环境造成了巨大压力。同时，可再生能源（RES）虽然具有清洁、可持续等优势，但存在间歇性和波动性等问题，难以稳定满足能源需求。在此情况下，氢气作为一种极具潜力的清洁能源载体，逐渐进入人们的视野。然而，以往许多关于氢气应用的研究往往孤立地进行分析，忽视了氢气资产在提升能源安全、增强系统应对极端天气事件的弹性以及提高系统灵活性等方面的协同作用，也未充分考虑氢气在供热应用中的潜力，对管道存储（linepack）在增强氢气基础设施灵活性方面的作用研究也不够深入。

为了深入探究氢气在能源系统中的作用，来自国外的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Advances in Applied Energy》上。研究人员运用综合规划和运营模型，对氢气和电力系统进行分析，旨在明确氢气技术和 linepack 在能源系统脱碳中的作用，评估 2050 年英国净零电力和天然气系统中氢气运输的可行性，并量化 linepack 为氢气和电力系统提供的灵活性。

在研究方法上，研究人员构建了综合氢气和电力系统（IHES）模型。该模型整合了来自综合全能源系统（IWES）模型的关键数据，包括电力和氢气的需求、RES 的可用性等。通过求解混合整数非线性规划（MINLP）问题，以最小化氢气和电力系统综合规划和运营的年度成本。同时，模型考虑了氢气网络、电力网络的运行约束以及两者之间的耦合约束，全面模拟能源系统的运行情况。

研究结果如下：

• 碳减排性能：氢气（H2）和电热化（ELEC）两种途径均能实现净零排放。在不同核心情景下，50 百万吨 CO₂/ 年的排放来自难以脱碳的部门。通过碳捕获与封存（CCS）技术以及生物质能与碳捕获和储存（BECCS）等手段，可有效减少排放，实现整体净零排放。研究还表明，直接空气碳捕获和储存（DACCS）可作为抵消剩余排放的替代方案。
• linepack 的作用：在 H2 途径中，linepack 显著提升了系统灵活性，使得 RES 的整合度提高，RES 削减减少了 43%。但可再生能源的间歇性导致氢气网络中 linepack 波动较大，给天然气运营商带来挑战。相比之下，ELEC 途径中 linepack 波动较小。
• 极端天气事件下的能源系统分析：在夏季，H2 途径中可再生能源可用性高，可大量生产绿色氢气并注入天然气基础设施。在冬季，可再生能源可用性降低，H2 途径依赖其他发电来源和氢气储存设施，其灵活性可供应高达 475GWh / 天的能源；而 ELEC 途径则更依赖基于氢气的燃气电厂（H2-based GP）。
• 不同未来情景发展下的氢气运输：能源系统的灵活性会影响 linepack 的波动。在灵活性较低的情景中，linepack 波动更大；若氢气存储更经济，可再生能源的整合度会增加，进而提高 linepack 的灵活性。此外，不同的能源生产方法和成本结构会影响氢气压缩的电力需求。例如，低成本风能情景下，氢气压缩的电力需求降低；高天然气价格情景下，ELEC 途径中氢气压缩的电力需求增加。

研究结论和讨论部分指出，氢气在实现净零排放方面具有关键作用。它与 CCS 技术、RES、核能相结合，能显著减少排放。氢气存储和 linepack 可提升系统灵活性，减少 RES 的削减。然而，可再生能源的间歇性会导致 linepack 波动，给系统运行带来挑战。此外，可逆电解器可提高能源资源管理的灵活性，系统灵活性在应对可再生能源的可变性方面至关重要。降低海上风电成本可减少氢气压缩基础设施和供应需求，而降低氢气存储成本则可促进更多可再生能源的整合。

总的来说，这项研究揭示了氢气和系统灵活性在实现净零排放以及应对可再生能源间歇性和极端天气事件挑战方面的重要作用，为未来能源系统的规划和发展提供了重要参考。未来研究可进一步探索混合热泵以及生物气在能源系统脱碳中的贡献。