电解槽在能源系统中的集成-64页

执行摘要 氢能是努力实现能源系统脱碳议程中的核心议题。仅在欧盟范围内，目标便是每年生产10万吨可再生能源氢，并进口另外... 10百万吨（欧盟，2023年）。若这10百万吨基于变动可再生能源发电生产，则相当于欧盟所需电解槽容量超过100吉瓦时。全球而言，国际能源署预测到2030年，为达到目标所需的电解槽容量将达700吉瓦时。 到2050年实现净零排放（国际能源署，2022年）。预计的欧盟20万吨可再生氢旨在替换现有行业中的化石燃料基氢；促进氢作为工业和空间加热的能源载体的采纳；并允许使用氢进行能量存储或作为燃料，直接使用或通过衍生品（氨、e-燃料）。请注意，上述翻译是基于原文的直译，可能需要根据具体的上下文和专业背景进行调整以确保最准确的理解和表达。所需电解器容量提供了同时生产热能和氧气的潜力。生产10百万吨氢气将同时产生约200太瓦时的废热和80百万吨的氧气。 本文探讨了将电解制氢整合到日益由变异性可再生能源发电主导的电力系统、住宅和工业热系统以及需要氢气（可能还有氧气）的工业系统的机遇与挑战。 产能高度依赖于电解器工厂的成本假设。通常，电池储能系统（BESS）比压缩空气储能系统（CHSS）成本更高，且在氢转换前存储能量需要更多的兆瓦时存储空间以获得相同的氢气输出。然而——前提是BESS能够通过足够的循环，从而通过引入电池储能系统（BESS）到系统中，可以增加电解槽的全负荷运行小时数，从而降低电解槽的容量和成本。 与行业整合 某些工业领域需要连续、不间断的氢气供应。从可变的可再生能源生产（如风能和太阳能）中创建这种供应需要存储解决方案，例如电池储能系统（BESS）和/或压缩氢储存系统（CHSS），以抵消电力供应的固有波动性。在这篇论文中，我们通过评估两个案例研究来探讨这一主题，一个是基于欧洲海上风电条件的研究，另一个则是纳米比亚太阳能条件的研究。这些系统使用DNV的Renewables.Architect软件进行模拟和优化，以提供关于连续、不间断氢气供应相关成本的洞察。 确保工业连续、不间断地获取氢气供应会带来成本代价。这一代价的具体大小取决于可再生能源发电的变异性模式，进而影响地理位置。在我们的模拟中，这一代价为每千克氢气2.2欧元。0.2对于欧洲风电和纳米比亚太阳能的情况，分别是每公斤氢气EUR/kgH2。对于氢气供应的本地工业解决方案的一个替代方案是通过管道建立与中央氢气供应基础设施的连接，既可以作为存储缓冲区，也可以作为主要来源。为了使集中供氢在经济上具有吸引力，其运输成本应低于固定且连续供应在当地工业解决方案中的成本罚金。 我们的两种情况模拟结果表明，采用结合使用电池储能系统（BESS）和热能储存系统（CHSS）的设计方法可获得最低的氢气平准化成本（LCOH）。此外，我们观察到最优设计的BESS 氧气的利用 热利用 氧气也是电解过程的副产品。产生的氧气纯度足够用于多种氧气应用的直接使用。然而，为了确保工业级氧气，还需要进行额外的净化。 电解槽产生大量的热量1。在本文中，从两个案例研究中获得了对热氢联合发电（CHH）经济学的见解： •CHH与现有区域供热网络相结合•CHH与工业蒸汽网络相结合 -这可以通过与传统氧气生产相比具有竞争力的成本来实现。到2030年欧盟的氢气生产目标为10Mt，将提供约80Mt的氧气，这几乎是该地区2030年传统氧气需求量的两倍。提供的丰富氧气可以成为工业氧气的推动者，对技术采用产生积极影响，通过降低燃料消耗（例如富氧燃烧）来节省成本和排放。尽管存在积极影响，潜在氧气销售的收入过低，不足以断言氧气利用可以成为可再生能源氢气的推动者。 利用电解器产生的废热技术上可行，并能提高系统效率和额外收入。由于通过增加热量生产部分补偿了氢产量的衰减和损失，电解堆的经济寿命将会延长。案例研究的结果表明，与工业案例相比（LCOH为2.7EUR/kgH2vs5.6EUR/kgH2），以及从热销售产生的收入（0.95EUR/kgH2vs2.7EUR/kgH2），集中供热业务模式在绝对水平和收入方面都有更好的经济效益。 Conclusion 工业案例中为每千克氢气（kgH2）设定的价格为0.85欧元。然而，工业案例受到了高温水平以及对高温电解器（固体氧化物电解器）的需求阻碍，这种电解器的投资成本高（估算值），并且需要与现有的蒸汽电网进行整合。 将电解制氢整合到工业中并非易事。若使用可再生能源电力，氢气供应将跟随电力供应变化，为实现持续供应，必须做出显著的投资用于存储。利用电池储能系统（BESS）可以减少对可再生能源发电能力和电解器能力的投入。此外，将压缩氢储存系统（CHSS）与BESS结合使用，相比仅使用BESS能降低单位氢成本（LCOH）。对于北海海上风电这种案例，这一结果是预期的，而对于纳米比亚太阳能这种由于全年太阳能辐射强度非常规律的案例来说，这一结果则不太明显。这些结果对发电、电池、电解器和压缩氢储存的成本敏感性较高，因此，针对每种特定情况进行详尽评估，以确保在最低成本下实现持续供应的最优解决方案，显得尤为重要。 远距离（>10公里）的热传导成本较高，且会产生显著的热损失。氢气运输在能量单位下相对成本较低。因此，为了最小化全生命周期平均热载体成本（LCOH），将电解器定位在热需求附近，并根据热需求而非氢需求来调整电解器的大小更为合理。在我们的案例研究中，剩余的热需求为... 供热网络由燃气锅炉覆盖，该系统通过热能供应产生收入。燃料成本基于征税的天然气。 此外，水电解会产生大量的氢、氧气和热能。选址对于高效利用这些资源、降低成本并确保能源系统中电解器的可持续采用至关重要。尽管利用氧气的情况较为特殊，但通过合理利用热能可以显著降低成本，同时确保电解器在能源系统的可持续采用。应提供激励措施以探索副产品的价值化解决方案，因为这对于实现欧盟的目标具有高度相关性。能效目标。 Contents 执行摘要2 缩写8 1.导言102.挑战123.工业16 3.1导言17 3.2工业183.2.1设计183.2.2海上风力发电概况的结果3.2.320 19 3.3结果213.3.1两者的比较案例213.3.2供应223.3.322讨论 4.产热24 4.1热254.2第25代4.3case4.4case 28 5.氧气生产30 5.1自动售货机31 5.1.1技术31 5.2商业用途氧气32 5.2.1富氧燃烧325.2.2工业制造业335.2.3Biological应用33 5.3欧洲氧气市场和潜力增长34 5.3.1透视图355.3.237必要性 6.主要结论38附录A：可续订.建筑师建模方法42A.1电池储能系统的简短描述型号43A.2压缩储氢系统的简短描述型号44A.3模拟中的成本假设框架47附录B：联合供热数据case48B.1氢和热的参考数据cost49B.2合并发电带来的潜在好处50B.3平准化成本基础设施51B.4区域供热建模需求52附录C:氧气54C.1氧气干燥和净化的成本估算55参考文献58 Authors MariSaureBogen,TheoBosma,MarcelEijgelaar,DaanGeerdink,RobvanGerwen,ErikA.Hektor,MdRizwan 审稿人MaryamAkbari，JochumDouma，JasonGoodhand，ElodieMartin，JoseQuevedo，CorinTaylor，ScottTrevean 缩写 1.Introduction 氢被视为难以减排领域（如重工业、长距离运输、航运和航空）未来重要的能源载体和原料。氢能够抵消可变可再生能源（如风能和太阳能）发电带来的某些不利因素，同时提供相对较为稳定且高效的能源解决方案。 电解器的氢侧配备压缩氢存储系统（CHSS）。BESS成本较高但非常灵活，因此更适合处理较短时间尺度上的变化，而CHSS也能以合理成本应对季节性波动。 将废热和氧气用于商业用途具有三个主要优点： 经济高效的大型储能系统，具有低循环率（例如每月或每年一次）和高效的大规模长距离能源传输。DNV出版物提供了关于氢的背景信息。 1.系统效率显著提升，这使得能够更好地利用（可再生）电力，从而避免整体碳排放，并且通过额外的氧气和热能生产产生额外收入。2.旨在利用电解槽的废热将减少电解器效率提升的需求压力。减产的氢气损失部分通过增加热能生产的额外收入得到了抵消。这使得电解器的主要发展重点集中在成本降低（除其他问题如响应时间外）上。3.堆栈的经济寿命将被延长。由于堆栈退化，电解器的效率会随时间降低。在某个时间节点上，用新的堆栈替换旧的从经济角度来看是可行的。但堆栈退化也将导致电解器的热输出增加。如果这一情况发生，额外的热量可以使用——例如，如果这导致了替代热能生产的减少——这会产生收入，延长堆体的经济寿命。2. 包括能源转型展望（DNV，2023年）和三个深潜和研究报告（DNV，2022b），（DNV，2019年），（DNV，2018年）。 在近期内（本十年），氢投资的重点将集中在以可再生能源制氢替代化石基氢作为工业原料上。 将可再生能源电力转换为氢气通过电解看似简单。电解技术已在特定市场中证明了数十年的历史。然而，在过去几年中，这一情况发生了变化，大规模部署电解器引起了广泛关注。对于这样的部署，存在多个挑战，其中最主要的包括：1.技术集成：确保电解器与现有电力基础设施无缝集成，以高效地生成和分配氢气。2.经济可行性：考虑到初始投资成本、运营费用以及氢气的市场定价，确保电解过程经济可行。3.安全标准：满足严格的工业安全和操作规范，确保电解过程的安全性。4.储存与运输：开发高效的氢气储存和运输解决方案，以支持远距离和大规模应用。5.政策与法规：适应和影响相关的政策框架，以促进电解技术的采用和氢气产业的发展。6.技能培训与人才：培养专门的技能和人才，以维护和优化电解设备的操作。7.环境影响评估：全面考虑电解过程对环境的影响，包括能源消耗和副产品的处理。这些挑战要求跨学科合作、技术创新和政策支持，以实现可再生电力到氢气的有效、可持续转换。 将商品进行组合生产并非新鲜事物。例如，联合热电联产（ CombinedHeatandPower，简称CHP）已经在工业、区域供暖和温室植物培育领域被广泛实践。与难以运输的热能相比，电力较为易于传输，因此通常在热能需求源附近生成，同时利用产生的热能与电力结合使用。这相较于单独产生热能，能够实现显著的能源节约。 与电力一样，氢气相对于热能也相对容易运输。因此，在热能需求源附近进行热能和氢气（CHH）的联合生产可以享受到类似的能源节约优势。 本文探讨了将水电解制氢整合到以下方面的可能性和挑战：日益由可变的可再生能源发电主导的电力系统；住宅和工业热系统；以及满足对氢气和可能氧气需求的解决方案。 •风能和尤其是太阳能驱动的电解器的利用率相对较低。它仅在可再生能源电力可用时运行。这意味着电解器的（部分）容量经常处于闲置状态。因此，提出的问题是，通过电池存储来提高电解器的利用率是否能导致氢气的平均成本降低。•将电能转换为氢气涉及显著的能量损失。实际上，大约60%到70%的电能可以被转换为氢气，剩余的能量则转化为热能，必须进行冷却。这就引出了一个问题，即这些热量和产生的氧气是否能够得到有效利用，从而减少能量损失的影响。 如果氢气确如预期将被大量使用，那么应对这些挑战的重要性将会增加，将氢气生产整合到更广泛的能源系统中变得至关重要。 通过在电解器的电源侧安装电池储能系统（BESS），可以抵消电力供应的变异性。 2.欧洲挑战的规模 欧盟的雄心将被用于，例如在评估和情境化电解器可能产生的氧气产量时。为了在全球于2050年达到净零排放的目标下，国际能源署预测在2030年全球所需电解器容量为700吉瓦（IEA,2022）。 氢气常规上用作工业原料。它被视为一种理想的无碳能源载体和长期能源存储介质