低碳氢在电力的应用有限——降碳潜力篇

文摘   财经   2024-11-11 08:31   美国  

报告出处:CATF

编译:Ted


过去十年,可再生能源呈现爆炸式增长,预计可再生电力将在未来脱碳电网中占据主要发电份额。一些政府、行业机构和电力公司也在探索氢气在电力系统脱碳方面的潜在作用,特别是作为一种公认的“清洁”燃料,被视为天然气的替代品。表面逻辑很简单:用不排放二氧化碳的燃料替代化石燃料。

本篇主要讨论下面一个加粗的问题,来回答绿氢在电力行业脱碳方面可能发挥的作用:
  • 在发电厂燃烧氢气在技术上可行吗?
  • 在电力行业使用氢气需要哪些基础设施,这些基础设施的成本是多少?
  • 燃烧低碳氢是否会减少发电厂的生命周期温室气体排放?
  • 在电力行业使用低碳氢的经济性如何,与替代技术相比如何?



1

电解氢

Electrolytic Hydrogen

水蒸气作为氢气燃烧唯一的直接副产品,如果实施有效的 NOx 排放控制,理论上可以将温室气体 (GHG) 排放量减少到零。如果考虑全生命周期,则考虑上游排放——主要来自氢气生产,还要考虑氢气运输、储存和处理的能源需求。

电解氢相关的碳排放与电解过程所用电力的碳强度直接相关。如果电解器运行所需的 100% 电力来自地热、水力发电、核能、风能和太阳能等清洁电力来源,那么氢气生产的直接排放量将为 0 千克二氧化碳当量/千克氢气。但是,这忽略了一些额外的间接上游排放(例如制造、安装和维护太阳能电池板或风力涡轮机)。因此,在本报告中将使用 1 千克二氧化碳当量/千克清洁电力生产的氢气的生命周期排放值来计算与这些清洁能源相关的基础设施和供应链排放。

然而,由于使用清洁电力生产电解氢的效率低下和机会成本高,使用电解氢来降低发电厂的碳排放并不一定是减少电力部门排放的有效方法。因为在发电涡轮机中燃烧的电解氢的 RTE 约为 24%。换句话说,76% 的清洁电力投入在供应链中“损失”。在尚未基本脱碳的电网中,原本可以取代四个碳密集型电力的四个单位的清洁电力将被用来提供由清洁氢气产生的一个单位的清洁电力,从而损失三个宝贵的清洁电力单位。


电解氢在脱碳电力系统中可能发挥的气候有益作用是电网平衡:在可再生能源供应量高的时期,可以通过使用剩余清洁电力运行电解槽来生产清洁氢气。氢气可以作为剩余清洁电力的储存介质,而不是专门用于脱碳发电的电解氢生产。

电解氢生产可能是提供 LDES 的技术上可行的选择,但仍必须解决许多问题才能验证这种方法对任何特定电力系统的可行性:
  • 是否考虑并评估了其他具有清洁稳定可调度电力的电力系统组合,从而减少对 LDES 的需求?

  • 清洁电力削减发生在哪里,是否与潜在氢电厂的位置相匹配?将氢气生产和氢涡轮机定位在更靠近电力削减和负荷的地方,系统成本权衡是什么?

  • 氢气储存在哪里,如何运输到最终用户?

  • 考虑到削减的间歇性,电解设施的商业模式是什么?

  • 如何确定电解设施的规模,以平衡其捕获剩余电力的能力和设施利用率?

  • 在供需季节性不匹配的时期,剩余清洁电力生产的氢气能否满足发电厂的需求?

  • 在峰值需求之上,可再生能源系统容量建设的增加要求是什么?合理的土地使用估计是否允许这样做?

  • 氢气生产和随后的电力生产的经济性如何?如果假设有免费的剩余电力,考虑到电气化供暖和运输、数据中心负荷增长和其他需求增长的竞争需求,剩余电力的条件有多确定?

  • 与其他投资组合相比,使用氢气储存对消费者的总系统成本和关税有何影响?客户能承受这些成本吗?

  • 预期削减的规模是多少?是否评估了所有缓解措施?

  • 是否考虑过其他 LDES 选项?




2

天然气+碳捕集制氢

Hydrogen from Natural Gas 

with Carbon Capture

如果氢气是通过天然气重整生产,且碳捕获率较高,则其生命周期排放主要来自天然气供应链中的上游活动,包括开采、加工和运输。

甲烷是一种强效温室气体,可能由于泄漏或设备排气而直接释放到大气中。据估计,美国天然气的泄漏率在 0.5% 到 6.3% 以上之间。按每单位能量计算,这相当于天然气低热值 (LHV) 上游碳足迹为 12-97 千克 CO2e/GJ。此外,在开采、加工和输送过程中,压缩机站的天然气燃烧会产生二氧化碳排放。

如果以 0.5% 的泄漏率(美国东北部)为基础,则估计氢气生产的生命周期排放量总计为 2.4 千克二氧化碳当量/千克氢气。在联合循环发电厂中燃烧这种氢气会产生 112 千克二氧化碳当量/兆瓦时生命周期排放量。

相比之下,假设上游天然气排放量相同,联合循环发电厂中未减排天然气燃烧的生命周期排放量为 413 千克二氧化碳当量/兆瓦时。上游甲烷排放泄漏率高往往主导发电的全生命周期排放量,因此,当天然气来自美国二叠纪盆地时,使用低碳氢发电的全生命周期排放量仅比使用未减排天然气发电低 20%。


获取报告原文

🖱请点击下方阅读原文🖱


👉相关阅读

1. 开采氢气?!

2. 热法制氢技术评估(综述篇)

3. 热法制氢技术评估(重整篇)


👉如果您还对我以前写的“双碳文章”感兴趣,欢迎点击下面的索引

1. 2024 年 Q1-Q3 文章索引

2. 2023 年文章索引

3. 2022 年双碳文章索引

德扑饭醉帮
传播价值观、知识、方法学和娱乐精神。 报告原文请点文章末尾的➡️:阅读原文
 最新文章