2024电解槽在能源系统中的集成报告

执行摘要 在努力实现能源系统脱碳的过程中，氢能源占据了议程的显著位置。仅在欧盟范围内，目标是每年生产10万吨可再生能源氢，并进口另外10万吨（欧盟，2023年）。如果这10万吨基于波动的可再生能源发电，那么它相当于欧盟需要超过100吉瓦时的电解器容量。全球范围内，国际能源署预测到2030年需要700吉瓦时的电解器容量，以实现2050年的净零排放目标（国际能源署，2022年）。预计的20万吨可再生能源氢旨在取代现有行业中的化石燃料为基础的氢气；促进氢作为工业和空间加热的能量载体的采用；并允许使用氢作为能量存储或燃料，直接或通过衍生品（氨、e-燃料）的用途。所需的电解器容量提供了同时生产热能和氧气的潜力。生产10万吨氢将同时产生约200太瓦时的废热和80万吨的氧气。 容量对电解器工厂相关的成本假设高度敏感。一般来说，BESS比CHSS更昂贵，并且在将能量存储在氢转换之前进行存储需要更多的兆瓦时的存储，以获得相同的氢输出。然而——前提是BESS能够通过足够的循环和因此提高吞吐量——将BESS整合到系统中可以增强电解器的满载小时数，从而降低电解器的容量和成本。 本文探讨了将电解制氢整合到日益由可变可再生能源发电主导的电力系统、住宅和工业供热系统以及需要氢气（可能还有氧气）的工业系统中所面临的机会与挑战。 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，如电池储能系统（BESS）和/或压缩氢储存系统（CHSS），以抵消电力供应的内在波动性。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，一个基于欧洲海上风电条件，另一个基于纳米比亚的太阳能条件。使用DNV的Renewables.Architect软件对这些系统进行模拟和优化，以提供关于连续、不间断氢气供应成本的见解。 确保工业持续、不间断地获得氢气供应会带来成本罚金。这一罚金的大小取决于可再生能源生产的变化模式以及，因此，地理位置的特定性。在我们的模拟中，这一罚金为每千克氢气2.2欧元。2 欧洲风能和纳米比亚太阳能为 0.2 EUR / kgH 分别列举了案例。对于氢气供应的本地工业解决方案的替代方案，可以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，也可以作为主要来源。为了使集中式氢气供应具有经济吸引力，其运输成本应低于固定且连续供应在本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）和热化学氢储存系统（CHSS）的设计方法能够获得最低的氢气平准化成本（Levelized Cost of Hydrogen, LCOH）。此外，我们发现最优设计中的BESS部分发挥了关键作用。 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，这可以在与传统氧气生产成本竞争的方式下实现。到2030年，欧盟的氢气生产目标为10万吨，将提供大约80万吨氧气，这是2030年该地区估计的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，通过减少燃料消耗（例如，富含氧气的燃烧）来节省成本和排放。尽管存在积极影响，潜在的氧气销售收益过低，不足以断言氧气利用可以成为可再生能源氢气的推动者。 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 利用电解器产生的废热在技术上是可行的，并能提升系统的效率和增加额外收入。由于通过增加额外的热能生产部分抵消了氢产量的衰退与损失，电解堆的经济寿命将会延长。案例研究的结果表明，对于区域供暖而言，从绝对层面看LCOH（区域供暖的LCOH为2.7 EUR/kgH，而传统方式为5.6 EUR）来看，其商业案例更为有利。 工业案例的 kgH) 和产生的收入2 Conclusion 来自热力销售(区域供热 0.95 欧元 / 千克 ， 与 将电解制氢整合到工业中并非易事。如果使用可再生能源电力，氢气供应将随电力供应波动，为确保连续供应，必须做出显著的投资以进行存储。利用电池储能系统（BESS）可以在减少可再生能源发电能力和电解器容量投资方面发挥关键作用。此外，结合使用压缩氢储存系统（CHSS）与BESS相比，其全生命周期平均氢成本（LCOH）较低。对于北海海上风电这一案例，这一点是可以预见的，而对于纳米比亚太阳能这一案例——因其全年太阳能辐射量非常稳定——则可能不太明显。结果对电力生成、电池、电解器和压缩氢存储的相对成本敏感，因此，针对每个具体情况进行详尽评估，以确保最低成本下连续供应的最佳解决方案至关重要。 工业案例为 0.85 EUR / kgH) 。工业案例为2 受高温水平的影响以及对高温电解器（固体氧化物电解器）的需求，这种电解器具有较高的（估算）投资成本，并且需要与现有的蒸汽电网进行整合。 远距离（>10公里）的热传输成本高昂并会导致显著的热量损失。氢气传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电联供成本（LCOH），将电解器定位在热需求附近并根据热需求而非氢气需求来调整电解器规模更为合理。在我们的案例研究中，热网剩余的热需求由燃气锅炉覆盖，该设备通过供热产生收入。燃料成本基于碳税后的天然气价格计算。 此外，从水电解中还大量生产氢气、氧气和热能。选址对于高效利用这些资源并以经济方式减少成本至关重要，确保能源系统中电解器的可持续采纳。尽管利用氧气的情况会因具体环境而异，但利用热能则提供了机会，既能降低整体成本，又能确保电解器在能源系统中的可持续采纳。应提供激励措施来探索副产品的价值化解决方案，因为这对于实现欧盟的能效目标极为关键。 Contents 执行摘要 2 缩写 8 1. 导言 103. 工业中的氢气整合 162. 欧洲挑战的规模 12 3.1 Introduction 3.2 工业可再生氢气一体化的优化设计 3.2. 1 优化设计的建模方法183.2. 2 海上风力发电概况结果193.2. 3 太阳能发电概况结果20 3.3 建模结果的讨论 21 3.3. 1 两种情况的比较213.3. 2 持续供应成本223.3. 3 进一步讨论22 4. 产热一体化 24 4.1 调高热量254.2 热电联产和氢气的案例研究254.3 区域供热箱254.4 工业案例28 5. 氧气生产一体化305.1 副产品氧气 - 从排气到自动售货315.1. 1 制氧技术31 5.2 氧气的商业用途 5.2. 1 富氧燃烧325.2. 2 工业制造335.2. 3 生物应用33 5.3 欧洲氧气市场和潜在增长 34 5.3. 1 从氧气的角度整合电解槽355.3. 2 副产品氧的价值化 - 必要性37 6. 主要结论 38 附录 A ： 可续订。建筑师建模方法42A.1 电池储能系统模型简述43A.2 压缩储氢系统模型简述44A.3 模拟框架中的成本假设47 附录 B ： 联合加热箱的数据48B.1 氢和热成本参考数据49 B.2 联合发电的潜在好处50B.3 基础设施的平准化成本51B.4 区域供热需求建模52 附录 C ： 氧气 54 C.1 氧气干燥和净化的成本估算 55 参考文献 Authors Mari Saure Bogen, Theo Bosma, Marcel Eijgelaar, Daan Geerdink, Rob van Gerwen, Erik A. Hektor, Md Rizwan 审稿人 Maryam Akbari ， Jochum Douma ， Jason Goodhand ， ElodieMartin ， Jose Quevedo ， Corin Taylor ， Scott Trevean 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。氢能在利用风能和太阳能等变异性可再生能源时抵消一些储能和传输的缺点，并能以相对低成本提供大规模储能（周期率较低，如每月或每年一次），以及高效的大规模和长距离能源传输。DNV 的多份出版物提供了关于氢的背景信息，包括《能源转型展望》（DNV, 2023）以及三份深入研究和研究报告（DNV, 2022b）、（DNV, 2019）、（DNV, 2018）。 氢电解器的氢侧的压缩氢存储系统（CHSS）。BESS较为昂贵但非常灵活，因此更擅长处理较短时间尺度上的变化，而CHSS也能够以合理成本应对季节性变化。 将废热和氧气用于商业用途具有三个主要优点 ： 1. 系统效率显著提升，允许更有效地利用（可再生）电力，从而避免总体碳排放并产生额外的氧气和热量收入。2. 目标是利用电解器产生的废热，这将减少对电解器效率提升的需求压力。减产的氢气生产部分通过增加热量生产的额外收入得以抵消。这使得电解器的主要发展重点在于成本降低（除了其他问题如响应时间外）。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下降。在某个时间点，更换新的堆栈从经济角度看是可行的。但堆栈退化也会导致电解器的热量输出增加。如果这部分额外的热量可以被利用——例如，如果它导致了更少的替代热能生产——则会产生收入，延长堆栈的经济寿命。2. 在未来近期内（本十年），氢气投资的重点将集中在以可再生能源制氢来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。电解技术已在小众市场证明了数十年。然而，在过去几年中，这已经改变，大规模部署电解器引起了广泛关注。对于这种部署，存在多个挑战，主要的包括： 1. 技术整合：确保电解技术与现有的能源系统无缝集成，以高效地转换和存储能量。2. 经济性：大规模电解设施的初期投资成本相对较高，需 •风能和尤其是太阳能供电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。这意味着电解器的产能往往会有部分闲置。因此，提出一个问题：是否通过电池存储来提高电解器的利用率，能否导致氢气的平均水平成本降低？要考虑其长期经济可行性，特别是与传统的化石燃料相比的经济效率。3. 可靠性和维护：确保电解设备的高可靠性和易于维护，以减少停机时间和维护成本。4. 安全性：在设计和操作电解过程中，确保安全措施到位，以防止潜在的危险和事故。5. 政策和监管框架：建立支持大规模电解发展的政策和监 将商品进行组合生产并非新鲜事。例如，联合热电联产（Combined Heat and Power，简称CHP）已经在工业、区域供暖和温室植物栽培等领域成为一种成熟的实践。与难以运输的热能相比，电力的运输相对容易，因此它通常在对热能有需求的地方附近产生，同时利用产生的热能与电力一起使用，这能带来显著的能源节约。与电力类似，氢气也比热能更易于运输，因此在热能需求源附近的联合热氢生产（Combined Heat and Hydrogen，简称CHH）也能从类似的节能优势中获益。 •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。这引发了一个问题，即这些热能和产生的氧气是否可以得到有效利用，从而减少能量损失的影响。管框架，包括补贴、税收优惠和标准制定，以促进技术的采用和发展。6. 基础设施：建设或升级相应的基础设施，如输电网络和储存设施，以支持大规模电解系统的运行。7. 环境影响：评估和管理电解过程对环境的影响，包括能 源消耗、水使用和副产品的处理。 这些挑战需要跨学科的合作、技术创新和政策支持来克服，以确保电解技术能够有效地支持全球向低碳能源转型的目标。 如果氢气如预期般大量使用，那么应对这些挑战的重要性就会增加，将氢气生产整合进更广泛的能源系统变得至关重要。 本文