数字孪生 ： 从可再生氢大型项目中获取价值

电力和天然气 数字孪生：从可再生氢大型项目中获取价值 氢气开发商可以使用数字孪生来提高可再生项目的经济可行性并满足不断增长的需求。在这里，我们以可再生氢气为例进行说明。 作者：NasAndriopoulos，DominikDon，JoaquinUbogui和MauritsWaardenburg ©GettyImages 五月2024 随着世界的加速其脱碳计划，可再生氢气及其衍生物为化石燃料提供了有希望的替代品-但到目前为止，仍然没有正在运行的千兆加仑可再生氢气生产工厂（请参阅侧栏“可再生氢气及其衍生物”）。 对清洁氢气的需求预计将大幅增加。新工厂可以扩大规模以满足这一不断增长的需求，这可能需要7,000亿美元的投资来维持2030年的净零轨迹。 目前，氢需求主要由化肥和炼油行业驱动。生产的大部分氢气是灰色氢气，并且 digitaltwins-whichcanimplateaphysicalplantfromtheplanningstagebeforeitisbuiltto 它的生命周期结束-可以帮助降低投资风险，节省成本 ，并加快项目时间表。 在本文中，我们强调了阻碍大规模可再生制氢工厂建设的障碍，并探讨了开发人员如何通过使用数字孪生来克服或至少帮助解决这些挑战。 当今可再生氢气生产面临的挑战 可再生氢气仍然是一个新兴行业，面临着实现其长期 潜力的短期不利因素。昂贵的基础设施和必要的氢储存以及可再生能源本身的可变性质也给植物经济学带来了压力。我们最近看到，在欧洲和其他地区，开发商很难确认最终的赠款和投资批准。4. 1氢见解2023，氢理事会和麦肯锡，2023年12月11日。 2灰色氢气是通过天然气或甲烷的蒸汽重整产生的，而不捕获排放的温室气体。蓝色氢气以相同的方式产生，但使用碳捕获，存储和利用（CCUS）。 3氢洞察2023，2023年12月11日。 可再生氢及其衍生物 可再生氢及其衍生物是使用碳排放量有限的可再生能源制造的，就本文而言，“可再生氢”包括以下衍生物： —可再生或绿色氢气是通过水的电解产生的。 —可再生氨是由绿色氢气和从空气中提取的氮气产生的。这种氨可以用作肥料或其他化学品的前体，用作清洁燃料或用作氢载体分子。 —可再生的-或绿色甲醇源自从生物来源获得的或直接从空气中捕获的可再生氢气和二氧化碳,并且可用作商品化学品的前体,用作海上运输中的清洁燃料,以及用作其他燃料生产的原料,例如甲醇至汽油或甲醇至喷气燃料。 —合成燃料或电子燃料源自可再生的氢气和二氧化碳，这些氢气和二氧化碳从生物来源获得或直接从空气中捕获。合成燃料可以用作当前内燃机或涡轮机中的直接燃料，而无需任何重大修改。 2 数字孪生：从可再生氢大型项目中获取价值 4PollyMarti，“Uiper将主要的海上风能可再生氢气项目推迟到十年末，放弃了欧盟的补贴，”HydrogeIsights，2024年4月3日；PollyMarti，“政府支持的比利时可再生氢气制甲醇试点项目因“成本上升”而报废，“氢能洞察”，2024年2月2日；PollyMarti，“这个由壳牌公司支持的将大量液态可再生氢从葡萄牙运往荷兰的项目已被取消，”氢能洞察，2024年4月5日。 围绕技术，利率，监管模式，收购市场和电解槽可用性的不确定性都是实现大规模生产的障碍： —电解槽是任何可再生氢气项目的核心组成部分。最近，在融资成本、劳动力和材料的推动下，电解槽所需的资本支出（资本支出）增加了约70%。 虽然电解槽有成本较低的选择，但更便宜并不总是意味着更好。例如，一些首批运行的大型工厂现在在其最小负荷上表现不佳。这意味着，如果功率输出低于50％ ，这些工厂必须关闭电解槽并将其拆除以进行维护以解决问题。在未来，这可能会改变，但开发人员面临艰难的选择。他们需要考虑资本支出和性能之间的权衡，以及工厂中使用的电解槽的大小和顺序。 —由于与超标准项目相关的风险，投资者需要高度的信心才能达成最终投资决定(FID)。如果开发人员能够在流程中尽早获得承付额，他们将受益。一旦有保证承付额-理想情况下至少占产量的50％至70％ -变得更容易 确保融资安全，增强投资者信心。然而，在利率上升的环境中，确保足够低的债务成本以实现有吸引力的股票内部收益率（IRR）变得更加困难。这导致一些开发商寻求更少的债务，并要求更大的股权份额-这通常会增加10％至25％的前期股权承诺成本。. —虽然最近的立法为促进可再生氢气创造了有利的环境 需求，理解多个监管框架对开发人员来说可能是一个挑战。生产的定义和要求——例如，关于碳强度和生产设施的位置，以及它们如何匹配产量和电力消耗— —在不同地区不同，这迫使氢生产商考虑广泛的设计和运营计划，以便为多个市场提供合规的产品。促进清洁氢气生产的立法包括2021年美国两党基础设施法和。 《2022年美国降低通货膨胀法案》（IRA），两者都可能需要可再生能源与工厂之间更紧密的整合。与此同时，欧盟的可再生能源指令（REDIII）要求使用可再生燃料 符合非生物来源（RFNBO）的氢，它引入了自己的一套关于可再生能源的额外性以及使用的可再生能源和氢生产的匹配的要求。 Formegaprojectstogetthegreenlightfordevelopment,projectscouldbedesignedtoensurethelowestpossibleproductioncostsoverthelifetimeoftheplant,withinsomeoftheconstraintsdescribedabove.Adigitaltwincanhelptoachievethisasitcaneval 组件的选择和组合，以优化工厂设计和增加投资者 confidence.Thebulkoflifetimeplantoperatingcostsarelockedinduringdesign,andadigitaltwinsupportsdecisionmakingearlyontheprocessbeforetheplantisbuilding. 数字双胞胎如何解锁价值 尽管面临挑战，但随着早期推动者过渡到FID之前的设计 和工程，氢大型项目的势头正在建立。全球开发人员现在正在寻找巩固其业务案例的方法-数字双胞胎可以在这方面发挥重要作用（参见侧栏“什么是数字双胞胎？”）。 5氢洞察，2023年12月11日。 6“具有成本竞争力的绿色氢：如何降低电解槽的成本”，牛津能源研究所，2022年1月。 7LeighCollins，“世界上最大的可再生氢项目'由于其中国电解槽而存在重大问题'：BNEF”，氢见解，2023年12月11日。 8麦肯锡分析。 9“在美国墨西哥湾沿岸解锁清洁氢气：‘此时此地’，”麦肯锡，2023年8月25日。 数字孪生：从可再生氢气中获取价值大型项目3 什么是数字孪生？ 数字孪生是用于理解和预测物理部件性能的物理产品、系统或过程的虚拟表示。数字孪生用于在投资物理原型或实施活动工厂（展览）之前模拟和优化产品和生产系统。本展览展示了数字孪生的高级视图，以涵盖尽可能多的配置，但是当添加细节时，数字孪生的力量就会生效。该过程的每个步骤都可以包括无尽的细节，以充分利用数字孪生并优化整个过程。 Exhibit 用于绿色制氢的端到端物理系统的高级数字孪生可以优化工厂配置。 从生产到交付的绿色氢和衍生物的一体化优化包 资源类型 合同类型 •已拥有 •虚拟PPA •物理PPA •批发 •零售 存储 太阳Battery存储 直接使用 氢气 Synfuel 制氢 风 电解槽 Transport 衍生产品生 产 其他清洁电 源 （如水力、地热） 衍生植物²衍生运输 氨绿色钢 最终使用可再生能源系统氢/衍生物生产系统 1购电协议。 2如果氢气未被并置,则可以将氢气从氢气生产设施运输到衍生工厂。 3氢运输选择包括卡车和管道。 数字孪生可用于通过测试和迭代输入设计参数来解决典型的生产成本挑战，以优化资产生命周期内的成本（“X”（LCOx）和净现值（NPV）的水平化成本）。 1“X”的平衡成本，其中X是最终产品，在这种情况下，是氢或氢衍生物。 4数字孪生：从可再生氢大型项目中获取价值 降低生产成本 利用概率高级分析（AA）和生成AI（genAI）技术， 数字孪生可以通过量化来帮助阐明项目可行性 Theimpactofexternalfactorsontheeconomicperformanceofapotentialprojectdesignoveritsoperatinglifetpan.Byfullyemblosingdigitaltwins,productioncosts(LCOx)couldbereducedby5to15%(Exhibit). 一些开发人员已经通过使用数字孪生来量化风险来控制生产成本 并确保投资获得预期回报的可能性最大。例如，一家拥有一系列可再生氢和氨大型项目的全球能源公司能够确定5亿美元的NPV改善潜力（参见侧栏“案例研究：全球能源公司如何优化其可再生氨工厂的设计”）。 优化工厂设计 数字孪生的力量在于它能够快速评估工厂的复杂性，确定 优化的设置，并将替代方案与一组约束(例如，绿色氢的监管要求)进行比较。它可以研究所有可能的替代设计策略，例如不同的存储大小，多个电解槽及其产量以及工厂平衡（BoP）设置，并且可以通过使用AI优化进行过程建模来探索更广阔的解决方案空间。 例如，数字孪生可以模拟和比较多种类型的电解槽在不同条件下的性能，这将增加对工厂计划设计的信心。对于某些项目，“超大”电解槽容量可能是有益的，而其他项目可能需要更多的灵活性来平衡电解槽容量与存储容量。 Exhibit 通过数字孪生和支持干预措施，生产成本估计可以降低5％至15％。 说明性绿色氨厂 对生产的贡献 典型的减少 资本支出 Opex 发电 Renewables 30–40 ~5% ~10% 设计:正确的数字孪生尺寸,技术选择,价值工程AI优化：例如，唤醒建模项目价值提升：安装方法、时间表和执行验证 储能 ~0–10 氢气电解槽和生产植物平衡and导数 25–40 10–20% ~5% 植物 运输、储存和传输² ~5–15 氢氨装置的设计和操作优化-使用数字孪生基于第一原理建模和AI 互补常规 杠杆，包括PVI、技术选择和价值工程 氨厂(HB和ASU) 。 10–20 10–20% 总LCOX 100 5–15% 总LCOX还原电位 系统项目LCOX用于2025年建造的工厂%电位干预措施示例 80–90%综合工厂的LCOX已锁定资本支出 1这些数字是针对智利北部的指示性端到端电子氨系统；建模的工厂使用了大气碱性电解槽，其电源范围为80％至95％的太阳能和5％至20％的陆上风能，建于2025年，并假定运行 30年。 2包括储氢、管道、港口基础设施和输电线路。 3哈伯-博世和空气分离单元。 资料来源：麦肯锡氢能洞察生产成本模型，2022年 数字孪生：从可再生氢气中获取价值大型项目5 案例研究：一家全球能源公司如何优化其可再生氨厂的设计 一家拥有一系列生产可再生氢和氨的大型项目的全球能源公司面临着项目成本和在其项目中建立可重复开发流程的挑战。其现有的建模方法在项目之间的可审 计性和可转移性方面存在缺陷。该公司能够使用数字孪生技术优化其设计。 该过程包括评估现有设计，验证关键设计组件，并开发概率操作孪生建议改进。对备选案例进行了分析，以优化项目设计。员工是开发模型的核心，并接受了如何充分利用数字孪生的培训，包括在初步研究后如何适应和改进孪生。 确定了5亿美元的NPV改进潜力，并对风险进行了量化和更好的理解。此外，能够使用数字孪生技术的员工数量增加了两倍，通过一个事实来源提高了透明度，可用性和可审计性。 数字孪生可以改进传统方法经常不足的设计，并