世界各国政府和企业都在加大对氢研发的投资，这表明人们越来越认识到氢可以在实现全球能源系统脱碳目标方面发挥重要作用。由于氢重量轻、能量密集、可储存，而且在使用时不会产生直接的二氧化碳排放，这种多功能的能量载体有潜力在未来的清洁能源系统中以多种方式加以利用。

通常被认为是在电网储能的背景下,氢已经拥有了新的兴趣,部分原因在于期望我们未来电网可再生能源将由变量(VRE)的来源,如风能和太阳能以及减少水电解槽的成本——这两个可以清洁,“绿色”氢比化石燃料生产更具成本竞争力。但作为一种清洁能源燃料，氢的多功能性也使它成为满足能源需求的一个有吸引力的选择，并为难以减少直接电气化行业的脱碳开辟了道路，如交通、建筑和工业。

“我们已经看到了很多关于电力脱碳途径的进展和分析，但我们可能无法实现所有最终用途的电气化。这意味着仅仅脱碳电力供应是不够的，我们还必须开发其他脱碳战略，”麻省理工学院能源计划(MITEI)的研究科学家Dharik Mallapragada说。“氢是一种值得探索的有趣的能源载体，但理解氢的作用需要我们研究电力系统和未来氢供应链之间的相互作用。”

在最近的一篇论文中,研究人员从麻省理工学院和壳牌提出一个框架来系统地研究的作用和影响氢动力在未来的低碳技术途径,综合能源系统,考虑到与电网的交互和能源需求和供应的时空变化。该框架在不同排放价格情景下，对电力和氢供应链的基础设施投资和运营进行协同优化。当应用到美国东北部的一个案例研究时，研究人员发现这种方法在成本和减排方面产生了巨大的效益，因为它利用了氢的潜力，在电解生产时为电力系统提供了一个大的柔性负载，同时也使难以电气化的最终使用部门脱碳成为可能。

研究团队包括Mallapragada;何冠南，四川理工学院博士后;MITEI的研究生研究助理Abhishek Bose;壳牌公司的研究员Clara Heuberger-Austin;Emre Gençer, MITEI的研究科学家。他们的研究结果发表在《能源与环境科学》杂志上。

跨部门的建模

“如果我们想真正了解直接电气化或其他脱碳策略的成本/收益，我们需要一个跨部门的框架来分析每个能源载体在多个系统中的经济和角色，”他说。

为了进行分析，该团队开发了低碳电力-氢网络决策优化(DOLPHYN)模型，该模型允许用户研究氢在低碳能源系统中的作用，电力和氢部门耦合的影响，以及跨越生产、运输、储存和最终使用这两个供应链的各种技术选择之间的权衡，以及它们对脱碳目标的影响。

Gençer说:“我们看到工业界和政府都很感兴趣，因为他们都在问应该把钱投到哪里，以及如何优先考虑他们的脱碳战略。”Heuberger-Austin补充道:“能够评估电力和新兴氢经济之间的系统级相互作用，对于推动技术发展和支持战略价值链决策至关重要。DOLPHYN模型可以在解决这类问题方面发挥作用。”

对于一组预定义的电力和氢需求场景，该模型决定了电力和氢行业中成本最低的技术组合，同时遵守各种操作和政策约束。该模型可以包含一系列的技术选项——从VRE发电到用于发电和氢气的碳捕获和储存(CCS)，再到用于氢气运输的卡车和管道。由于其灵活的结构，该模型可以很容易地适应表示新兴的技术选择，并评估其对能源系统的长期价值。

作为一个重要的补充，该模型通过允许用户对两个部门的排放增加成本惩罚来考虑过程级的碳排放。马拉普拉格达说:“如果你有一个有限的排放预算，我们就能够探索在哪里优先考虑有限的排放，以在脱碳方面获得最好的效果。”

案例研究的见解

为了测试他们的模型，研究人员调查了在各种需求、技术和碳价格情景下的美国东北部能源系统。虽然他们的主要结论可以推广到其他地区，但东北地区被证明是一个特别有趣的研究案例。该地区目前对可再生能源发电有立法和监管支持，并提高了减排目标，其中一些目标相当严格。它还对加热能源有很高的需求——这一领域很难电气化，尤其可以从氢以及电力和氢系统的耦合中受益。

研究人员发现，当通过电解或基于氢的发电将电力和氢部门结合起来时，就会有更多的操作灵活性来支持电力部门的VRE整合，并减少对替代电网平衡供应侧资源的需求，如电池存储或可调度的天然气发电。这反过来又降低了整个系统的成本。与没有部门耦合的情况相比，这种增加的VRE渗透也导致了排放量的减少。马拉普拉格达说:“以电力为基础的氢生产在平衡电网方面提供的灵活性，与它将为其他终端用途脱碳生产的氢同等重要。”他们发现这种类型的电网相互作用比传统的以氢为基础的电力存储更有利，后者在将氢转化为电能时可能会产生额外的资本成本和效率损失。这表明，在电网中，氢作为一种灵活需求的来源可能比作为储存氢更有益。

研究人员的多部门建模方法还强调，与电力部门相比，在氢供应链中使用CCS更具成本效益。他们指出，与这一观点相反的是，到2020年，电力部门部署的CCS项目将是氢生产项目的6倍——这一事实强调了在规划未来能源系统时需要更多的跨部门建模。

在这项研究中，研究人员测试了他们的结论在许多因素下的稳健性，比如电力和氢气生产中使用的天然气的非燃烧温室气体排放(包括甲烷排放)如何影响模型结果。他们发现，在模型边界内包括天然气的上游排放足迹并不影响有关VRE整合和脱碳成本节约的部门耦合价值;事实上，由于人们越来越重视以电力为基础的氢气生产，而不是以天然气为基础的氢气生产途径，这一价值实际上在增长。

“除非采取全面的方法，否则你无法实现气候目标，”Gençer说。“这是一个系统问题。有些行业无法通过电气化实现脱碳，而有些行业则无法通过碳捕获实现脱碳。如果综合考虑所有问题，就会发现一种协同解决方案，可以显著降低基础设施成本。”

这项研究得到了荷兰阿姆斯特丹Shell Global Solutions International B.V.和MITEI的电力系统和碳捕获、利用和存储低碳能源中心的部分支持。