整合可变可再生能源和储能，实现绿色制氢

纪嘉祥·石，达拉斯·伯特劳，凯伦·帕尔默 关于作者 石智翔他是未来资源（RFF）的研究员。他在能源和环境建模方面拥有丰富的经验。他的研究专注于环境和资源政策的综合系统分析和决策。他的作品已在包括PNAS、环境科学与技术、经济学与统计学评论以及欧洲运筹学期刊在内的领先期刊上发表。 达拉斯·伯特拉夫是一名美国能源基金会（RFF）高级研究员达里乌斯·加金斯的资深研究员。巴特劳致力于促进有效的空气污染控制，并在电力行业监管及环境效果方面发表了广泛的研究。巴特劳目前的研究内容包括气候变化政策的区域分布和地区后果分析、电力市场的发展及可再生能源的融入，以及气候政策与电力市场的相互作用。他曾为东北州、加利福尼亚州和欧盟设计的二氧化碳排放交易计划提供技术支持。此外，他还研究《清洁空气法》下氮氧化物和二氧化硫的监管，对成本进行了综合评估，并模拟了健康和生态系统的影响评估，包括阿迪朗达克公园和南部阿巴拉契亚地区生态系统改进的估值。 帕尔默，凯伦系美国资源未来研究所高级研究员，并是电力领域环境、气候和公用事业监管经济学专家。她的工作旨在改善该领域环境和技术监管的设计以及新机构的发展，以帮助指导电力部门的持续转型。为此，她探索气候政策设计，分析促进可再生能源和其他清洁电力来源使用的有效方式，并研究新的市场设计、电力定价新方法和监管改革，为电力供应的长期脱碳和能源经济的电气化铺平道路。 致谢 我们感谢Aaron Bergman、Alan Krupnick、Billy Pizer以及RFF电力项目研讨会参与者们的评论，并感谢未来资源基金会提供的财务支持。 关于RFF 未来资源研究所（RFF）是一家位于华盛顿特区的独立、非营利性研究机构。其使命是通过公正的经济研究和政策参与，改善环境、能源和自然资源决策。RFF致力于成为最受信赖的研究洞察和政策解决方案的来源，以实现健康的环境和繁荣的经济。 工作论文是作者为信息交流和讨论目的而传播的研究材料。它们不一定经过正式的同行评审。此处表达的观点是个人作者的观点，可能与RFF的其他专家、其官员或其董事的观点不同。 分享我们的工作 我们的作品可在Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 国际（CC BY-NC-ND 4.0）许可下进行共享和改编。您可以在任何媒体或格式中复制和重新分配我们的材料；您必须给予适当的归属，提供许可证链接，并指示是否进行了更改，并且不得施加额外限制。您可以使用任何合理的手段进行此操作，但不得以任何暗示许可人认可您或您使用的使用方式。您不得将材料用于商业目的。如果您混合、转换或基于该材料创作，您不得分发修改后的材料。如需更多信息，请访问 。https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/. 注意：这五个部分（关于作者、关于RFF、分享我们的工作、关于项目、致谢）可以根据需要重新排列，以使布局看起来更美观。 摘要 系统级设计将氢能生产与电力系统相结合，可能提高市场接受度，并使绿色氢能对可持续能源未来做出显著贡献。政府政策、激励措施和资金机会提供了必要的支持和财务支持，以促进技术进步。 本文我们建立了一个决策模型，以同时优化发电和氢能生产的产能投资和系统运营。我们研究了电解槽的最佳部署和运行，用于利用电网电力生产绿色氢能，一种将可变可再生能源（VRE）资源与长期储能（LDES）相结合的离网系统，或二者的混合系统。我们评估了碳定价和各种税收激励政策下氢能生产系统的经济和环境性能。1情景分析——特别是第45V节绿色氢的生产税收抵免（PTC）和第48节可变能源（VRE）及液化天然气外输（LDES）的投资税收抵免（ITC）——以及关于LDES资本成本敏感性分析。 共十一种情景展现了该模型的能力，并突显了系统组件间相互作用的复杂性。我们计算了每个情景下氢生产的单位净成本，并将单位成本分解为四个组成部分：电费成本、资本投资、二氧化碳排放的社会成本和税收收入。例如，我们发现投资税收抵免（ITC）和生产税收抵免（PTC）可能将没有政策情景下每千克氢的单位生产成本从10.62美元降低到每千克0.96美元。此模型为在电力系统中完全整合氢基础设施的进一步研究提供了基础。 目录 1. 引言 1 文献综述 3 2.1. VRE 模型化32.2. 能源存储32.3. 每小时匹配4 3. 氢生产模型 5 3.1. 系统配置53.2. 模型6 4. 数据需求 7 78992114.1. 可再生能源资源概览4.2. 可再生能源技术及其成本4.3. 电解水技术及成本4.4. 网格电力价格4.5. 网格CO排放4.6. 税收抵免114.6.1. 氢气生产税收抵免114.6.2. 清洁能源技术投资税收抵免12 5. 建模 14 5.1. 情景145.2.情景结果155.3. 时间剖面分析结果25 6. 结论与未来工作 26 参考文献 29 附录：氢气生产模型A.1. 命名法32A.2. 模型公式34 32 1. 引言 氢对于气候变化的缓解和二氧化碳（CO2）减排可能是必不可少的。2 由于燃烧时只产生水蒸气，使其成为脱碳难电化的部门的强力候选者，例如重工业和交通运输业。 氢气生产主要依赖两种方法：基于化石燃料和电解过程。基于化石燃料的生产，主要通过蒸汽甲烷重整（SMR）进行，即通过将天然气与蒸汽反应来生产氢气和二氧化碳。这种方法因其技术成熟度、相对成本效益和成熟的基础设施而得到广泛应用，但除非与碳捕捉与封存（CCS）相结合，否则会导致显著的排放。相比之下，CO 2 电解法提供了一种更清洁的替代方案，通过将水分解为氢气和氧气。然而，电解的环境影响在很大程度上取决于电力来源。当电网主要由可变可再生能源（VRE）来源供电，如风能、太阳能或水力发电时，电解会产生具有最小碳足迹的绿色氢气。相反，如果电网严重依赖化石燃料，如煤炭或天然气，则电解的使用可能会增加总体排放，降低其环境效益。越来越多的讨论和研究成果（如下文所述）集中在利用离网VRE系统生产绿色氢气。在这篇论文中，我们探讨了氢气生产开发者使用电解法面临的问题，并考虑了使用现有电网电力、新建和额外的VRE基础设施或这些电力来源的混合使用之间的权衡。我们已经开发了一种工具，旨在优化带政策和无政策激励的氢气生产系统的投资和运营。 在利用可再生能源电解制氢的过程中，虽然更加环保可持续，但面临着两大显著挑战。第一个挑战是这些能源的间歇性。电解槽仅在电力可用时生产氢气，但在现实中，太阳并非总是照耀，风也不总是吹拂。储能系统能够通过在发电高峰期储存过剩能源并在发电低或无时放电来缓解这一问题，从而平滑能源供应的波动。我们考虑了这样一个系统，即长周期储能（LDES）。2通过提供可靠且连续的能量来源，LDES确保了电解过程中稳定的电力供应，从而实现氢气的持续生产并降低电解槽的资本投资。除了这些经济效益之外，LDES还可以通过使用来自低排放电力源的储存能量，在排放高峰期间替代电网电力，从而减少氢气生产的碳足迹，带来环境效益。 第二个挑战在于绿色氢生产基础设施所需的相当大的前期资本投资，这需要增加对可再生能源基础设施的投资，如风能和太阳能。尽管可再生能源的边际成本可能很低，但与不间断能源源相比，生产相同数量的氢所必需的显著初始投资受到可再生能源间歇性的影响。 今天，美国每年生产大约1000万吨（MMT）氢气，主要来自天然气。到2030年，在实现美国能源部（DOE）氢能射击计划的目标，即降低清洁氢气生产成本至每千克（kg）1美元的同时，达到这一水平，3提出了重大的经济挑战。为了支持绿色氢气的生产，美国政府推出了众多财政激励措施。 《美国国内税收法》第48E节为可再生能源项目提供投资税收抵免（ITCs），包括风能、太阳能和其他清洁能源技术。2022年的《通货膨胀削减法案》（IRA）将这些税收抵免扩展到包括新的技术，如独立电池储能系统，这些技术有资格获得最高30%的投资成本税收抵免（Shah等，2024年；美国国税局，2024年）。只要符合美国国税局（DOE，2024年）设定的资格标准，离网可再生能源系统也可以申请ITC。 爱尔兰共和国还引入了第45V节，一项新的清洁氢生产税收抵免（PTC），对通过生命周期e）项目生产的每千克氢气提供高达3美元的税收抵免。温室气体排放强度低于0.45千克二氧化碳当量（CO） 每千克氢气。然而，为了有资格获得可再生能源税收抵免（PTC）并通过现有电网实现100%绿色氢气生产，氢气生产必须遵循以下三个支柱：附加性、时间匹配性和交付性，以维持绿色氢气生产的完整性和可持续性（ACPers.2023）。4这意味着，在没有电力储存能力的情况下，在可再生能源可用时，需要大量的电解槽产能来生产氢气，这种做法被称为每小时匹配（Bergman 2023）。 此外，《基础设施投资和就业法案》已为美国能源部（DOE）的区域清洁氢能中心项目（H2Hubs）拨款80亿美元，旨在在各地建立至少四个区域中心，以生产、分配和使用清洁氢能，从而建立一个基础性的国家清洁氢能网络，这将显著促进能源、工业和交通部门的脱碳。 3 氢弹射击的主要目标是将在十年内清洁氢生产的成本降低到每公斤1美元。这个目标通常被称为“1-1-1”目标——十年内每公斤氢1美元。4 附加性要求可再生能源电力来自新的可再生能源发电来源。时间匹配要求电解器的电力消耗与可再生能源电力的小时生产相匹配。可交付性要求电解器从同一市场或运营区域内获取可再生能源电力。 为了提高和高效扩展绿色氢的生产，本文提出了一种优化模型，用于绿色氢的生产，并提供了使用电网电力供应和离网的可再生能源（VRE）及低度电解槽（LDES）系统的选项，以考察影响生产的技术、经济和金融激励措施之间的相互作用。该模型有三个主要目标：（1）分析绿色氢生产中的投资和运营决策；（2）评估不同政策的环境和经济影响，包括碳定价和税收抵免；（3）分析对储存成本和其他参数的敏感性，包括系统成本和相关的收益。 在第2节中，我们进行文献综述。第3节介绍了优化模型的细节。第4节概述了模型的数据需求，第5节涵盖了建模场景和结果。最后，第6节提供了结论以及对未来研究方向的分析讨论。 2. 文献综述 一个不断增长的讨论和研究领域集中在利用离网系统生产绿色氢气。这种方法通常涉及将可再生能源（如太阳能、风能或水能）与水电解系统相结合，以生产不依赖传统电网电力的氢气。几个试点项目和研发计划正在积极探索离网氢气生产系统的可行性。例如，芬兰的OffgridH2项目（CLIC n.d.）以及澳大利亚、智利、欧洲、北美和北非等地区的努力（Clerici andFurfari 2021；Largue 2024；León et al. 2023）。 2.1. VRE 模型化 Oliva H. 和 Garcia G. (2023) 分析了现场可再生能源、电网能源以及两者的组合。他们开发了一个线性规划优化模型，以最小化氢生产的年化成本，并确定电解槽、现场太阳能和风力发电机组以及电网能源的最佳容量。他们的研究发现，能源价格的波动和可再生能源发电的间歇性对现场可再生能源投资与电网能源使用之间的平衡产生了重大影响，这在最小化氢生产年化成本方面至关重要。他们的文章没有纳入储能；然而，它指出未来的研究可以探索包括与氢气运输相关的储能和运输成本。 2.2. 能源存储 近期国家石油委员会（NPC 2024）的一份报告聚焦于利用可再生能源驱动的电解槽进行制氢生产，强调了储能的作用。在NPC至2050年实现净零排放的情景下，实现制氢生产目标需要显著增加可再生能源的产能，同时 管理可再生能源变异性策略。报告发现，尽管在技术上可行，但在经济上储存过剩的可再生电力效率低下，建议需要过度建设可再生能源容量以实现电解槽的持续运行。因此，报告强调了针对可再生能源变异性的一些替代电池存储的方案，包括增强型水力储能和压缩空气储能。报告还建议，在可再生