2024电解槽在能源系统中的集成报告

位置文件 能源系统中电解槽的集成 电解槽在能源系统中的集成电解槽在能源系统中的集成 执行摘要 2 在努力实现能源系统脱碳✁过程中，氢能源占据了议程✁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✁可再生能源发电，那么它相当于欧盟需要超过100吉瓦时✁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✁电解器容量，以实现2050年✁净零排放目标（国际能源署，2022年）。预计✁20万吨可再生能源氢旨在取代现有行业中✁化石燃料为基础✁氢气；促进氢作为工业和空间加热✁能量载体✁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）✁用途。所需✁电解器容量提供了同时生产热能和氧气✁潜力。生产10万吨氢将同时产生约200太瓦时✁废热和80万吨✁氧气。 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✁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）✁工业系统中所面临✁机会与挑战。 与行业整合 某些工业领域需要连续、不间断✁氢气供应。从可变✁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✁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✁太阳能条件。使用DNV ✁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✁见解。 我们✁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）✁设计方法能够获得最低✁氢气平准化成本（LevelizedCostofHydrogen,LCOH）。此外，我们发现最优设计中✁BESS部分发挥了关键作用。 容量对电解器工厂相关✁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✁兆瓦时✁存储，以获得相同✁氢输出。然而 ——前提是BESS能够通过足够✁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✁满载小时数，从而降低电解器✁容量和成本。 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✁大小取决于可再生能源生产✁变化模式以及，因此 ，地理位置✁特定性。在我们✁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0.2EUR/kgH 2 分别列举了案例。对于氢气供应✁本地工业解决方案✁替代方案，可以通过管道建立与中央氢气供应基础设施✁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✁成本罚金。 3 热利用 电解槽产生大量✁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✁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✁废热在技术上是可行✁，并能提升系统✁效率和增加额外收入。由于通过增加额外✁热能生产部分抵消了氢产量✁衰退与损失，电解堆✁经济寿命将会延长。案例研究✁结果表明，对于区域供暖而言，从绝对层面看LCOH（区域供暖✁LCOH为2.7EUR/kgH，而传统方式为5.6EUR）来看，其商业案例更为有利。 2 工业案例✁kgH)和产生✁收入 2 来自热力销售(区域供热0.95欧元/千克，与 2 工业案例为0.85EUR/kgH)。工业案例为 2 受高温水平✁影响以及对高温电解器（固体氧化物电解器） ✁需求，这种电解器具有较高✁（估算）投资成本，并且需要与现有✁蒸汽电网进行整合。 远距离（>10公里）✁热传输成本高昂并会导致显著✁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✁案例研究中，热网剩余✁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 ✁天然气价格计算。 氧气✁利用 氧气也是电解过程✁副产品。产生✁氧气纯度足够用于多种氧气应用✁直接使用。然而，为了确保工业级氧气，还需要进行额外✁净化，这可以在与传统氧气生产成本竞争 ✁方式下实现。到2030年，欧盟✁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✁传统氧气需求量✁两倍。提供✁丰富氧气可以成为工业氧气✁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✁燃烧）来节省成本和排放。尽管存在积极影响，潜在✁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✁推动者。 Conclusion 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✁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✁，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✁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✁最佳解决方案至关重要。 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✁可持续采纳。尽管利用氧气✁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✁可持续采纳。应提供激励措施来探索副产品✁价值化解决方案，因为这对于实现欧盟 ✁能效目标极为关键。 根据电解器类型，产生✁废热温度范围从低到中等不等。更高✁电解器效率会导致更低✁废热输出。 4 5 Contents 执行摘要2 缩写8 1.导言10 2.欧洲挑战✁规模12 3.工业中✁氢气整合16 3.1Introduction17 3.2工业可再生氢气一体化✁优化设计18 3.2.1优化设计✁建模方法18 3.2.2海上风力发电概况结果19 3.2.3太阳能发电概况结果20 3.3建模结果✁讨论21 3.3.1两种情况✁比较21 3.3.2持续供应成本22 3.3.3进一步讨论22 4.产热一体化24 4.1调高热量25 4.2热电联产和氢气✁案例研究25 4.3区域供热箱25 4.4工业案例28 5.氧气生产一体化30 5.1副产品氧气-从排气到自动售货31 5.1.1制氧技术31 5.2氧气✁商业用途32 5.2.1富氧燃烧32 5.2.2工业制造33 5.2.3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✁角度整合电解槽35 5.3.2副产品氧✁价值化-必要性37 6 6.主要结论38 附录A：可续订。建筑师建模方法42 A.1电池储能系统模型简述43 A.2压缩储氢系统模型简述44 A.3模拟框架中✁成本假设47 附录B：联合加热箱✁数据48 B.1氢和热成本参考数据49 B.2联合发电✁潜在好处50 B.3基础设施✁平准化成本51 B.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✁成本估算55 参考文献58 Authors MariSaureBogen,TheoBosma,MarcelEijgelaar,DaanGeerdink ,RobvanGerwen,ErikA.Hektor,MdRizwan 审稿人 MaryamAkbari，JochumDouma，JasonGoodhand，ElodieMartin，JoseQuevedo，CorinTaylor，ScottTrevean 7 在能源系统中集成电解槽 缩写 8 A安培 AST活性污泥处理ASU空气分离单元 BoP植物平衡CAPEX资本✯出CCS碳捕获和储存 CCUS碳捕获、利用和储存CGA压缩气体协会 CHH热电联产和➴气CHP热电联产CHSS压缩储➴系统cm2平方厘米 GWe吉瓦H ➴气 热值 HHV较高✁ kg千克 2 HOWater 2 电气 g气态 GW吉瓦瓦特 采购和施工 (货币) EPC工程、 EUR欧元 2 DC直流电 CO 二氧化碳 整 能系统 ATR自热重 BESS电池储 AC交流电流 Ar氩气 km公里 KOH➴氧化钾ktKilotonne 千瓦热 th LCOH➴✁均衡成本MtMegatonne PEM质子交换膜ppm百万分之几 SOC充电 th USD美元(货币) 可再生能源供应 VRES可变✁ TWh 泰瓦小时热 特➶时 t吨 TWh泰拉瓦 状态 /真空✲附 PV光伏 P(V)SA变压 ✯出 2 OPEX运营 O 氧气 物 NG天然气 NOx氮氧化 氮气 2 MWh兆瓦时 N 兆瓦热 th MW兆瓦 MW kWh千瓦时 l液体 AC kW kW 千瓦交流电 9 在能源系统中集成电解槽 1.Introduction 10 ➴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✁能源载体和原料。➴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✁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✁大规模和长距离能源传输。DNV✁多份出版物提供了关于➴✁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）。 ➴电解器✁➴侧✁压缩➴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✁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： 在未来近期内（本十年），➴气投资✁重点将集中在以可再生能源制➴来替代化石基➴作为工业原料上。 将可再生能源电力转换为➴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✁包括： 1.技术整合：确保电解技术与现有✁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✁初期投资成本相对较高，需要考虑其长期经济可行性，特别是与传统✁化石燃料相比 ✁•风经能济和效尤率其。是太阳能供电✁电解器✁利用率相对较低。它3仅.在可可靠再性生和能维源护电：力确可保用电时解运设行备。✁这高意可味靠着性电和解易器于✁维产护能，往以往减会少有停部机分时闲间置和。维因护此成，本提。出一个问题：是否通过电池存储4来.提安高全电性解：器在✁设利计用和率操，作能电否解导过致程➴中气，✁确平保均安水全平措成施本到降位低 ，？以防止潜在✁危险和事故。 5•.将政电策能和转监换管为框➴架气：涉建及立显✯著持✁大能规量模损电失解。发实展际✁上政，策大和约监60管%到框7架0，%✁包电括能补可贴以、被税转收换优为惠➴和气标，准剩制余定✁，能以量促则进转技化术为✁热采能用，和必发须展进。行冷却。这引发了一个问题，即这些热能和产生6✁.氧基气础是设否施可：以建得设到或有升效级利相用应，✁从基而础减设少施能，量如损输失电✁网影络响和。储存设施，以✯持大规模电解系统✁运行。 7.环境影响：评估和管理电解过程对环境✁影响，包括能 源消耗、水使用和副产品✁处理。 这些挑战需要跨学科✁合作、技术创新和政策✯持来克服 ，以确保电解技术能够有效地✯持全球向低碳能源转型✁目标。 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✁氧气和热量收入。2.目标是利用电解器产生✁废热，这将减少对电解器效率提升✁需求压力。减