Hydrogen Solar Wind Green Energy 777x518 1 2
Thông tin công nghệ

Tối ưu hóa toàn diện: Kết hợp các con đường trong lĩnh vực năng lượng và hydro để có lợi cho quá trình khử cacbon

Một nhóm nghiên cứu do MIT dẫn đầu đã nghiên cứu vai trò và tác động của các lộ trình công nghệ dựa trên hydro trong một hệ thống năng lượng tích hợp, carbon thấp trong tương lai và tìm ra lợi ích từ việc đồng tối ưu hóa chuỗi cung cấp năng lượng và hydro.

Nhóm nghiên cứu của MIT nhận thấy việc tối ưu hóa toàn diện năng lượng điện và cơ sở hạ tầng chuỗi cung ứng hydro là thuận lợi cho việc giảm phát thải và giảm chi phí cơ sở hạ tầng.

Các chính phủ và công ty trên toàn thế giới đang tăng cường đầu tư vào nghiên cứu và phát triển hydro, cho thấy sự công nhận ngày càng tăng rằng hydro có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc đáp ứng các mục tiêu khử cacbon của hệ thống năng lượng toàn cầu. Vì hydro là ánh sáng, năng lượng đậm đặc, có thể lưu trữ và không tạo ra khí thải carbon dioxide trực tiếp tại điểm sử dụng, nên chất mang năng lượng đa năng này có tiềm năng được khai thác theo nhiều cách khác nhau trong một hệ thống năng lượng sạch trong tương lai.

Thường được xem xét trong bối cảnh lưu trữ năng lượng trên quy mô lưới điện, hydro đã thu hút được sự quan tâm mới, một phần do kỳ vọng rằng lưới điện trong tương lai của chúng ta sẽ bị chi phối bởi các nguồn năng lượng tái tạo (VRE) biến đổi như gió và mặt trời, cũng như giảm chi phí đối với máy điện phân nước – cả hai đều có thể tạo ra hydro “xanh” sạch, có chi phí cạnh tranh hơn so với sản xuất dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Nhưng tính linh hoạt của hydro với tư cách là nhiên liệu năng lượng sạch cũng khiến nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn để đáp ứng nhu cầu năng lượng và mở ra con đường khử cacbon trong các lĩnh vực khó khai thác, nơi khó điện khí hóa trực tiếp, chẳng hạn như giao thông vận tải, tòa nhà và công nghiệp.

“Chúng tôi đã thấy rất nhiều tiến bộ và phân tích xung quanh các con đường để khử cacbon điện, nhưng chúng tôi có thể không điện hóa được tất cả các mục đích sử dụng cuối cùng. Điều này có nghĩa là chỉ cung cấp điện cho quá trình khử cacbon là không đủ, và chúng tôi cũng phải phát triển các chiến lược khử cacbon khác ”, Dharik Mallapragada, một nhà khoa học nghiên cứu tại MIT Energy Initiative (MITEI) cho biết. “Hydro là một chất mang năng lượng thú vị để khám phá, nhưng hiểu được vai trò của hydro đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu sự tương tác giữa hệ thống điện và chuỗi cung ứng hydro trong tương lai”.

Trong một bài báo gần đây được xuất bản trên tạp chí Khoa học Môi trường & Năng lượng , các nhà nghiên cứu từ MIT và Shell đã trình bày một khuôn khổ để nghiên cứu một cách có hệ thống về vai trò và tác động của các con đường công nghệ dựa trên hydro trong một hệ thống năng lượng tích hợp, carbon thấp trong tương lai, có tính đến các tương tác với lưới điện và sự thay đổi theo không gian-thời gian trong cung và cầu năng lượng. Khung đã phát triển đồng tối ưu hóa việc đầu tư và vận hành cơ sở hạ tầng trên toàn bộ chuỗi cung ứng điện và hydro theo các kịch bản giá phát thải khác nhau. Khi áp dụng cho một nghiên cứu điển hình ở Đông Bắc Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu nhận thấy cách tiếp cận này mang lại những lợi ích đáng kể – về chi phí và giảm phát thải – vì nó tận dụng tiềm năng của hydro để cung cấp cho hệ thống điện một tải linh hoạt lớn khi được sản xuất thông qua quá trình điện phân, trong khi cũng cho phép khử cacbon trong các lĩnh vực khó điện khí hóa, sử dụng cuối cùng.

Nhóm nghiên cứu bao gồm Mallapragada; Guannan He, một postdoc tại MITEI; Abhishek Bose, một trợ lý nghiên cứu sau đại học tại MITEI; Clara Heuberger-Austin, một nhà nghiên cứu tại Shell; và Emre Gençer, một nhà khoa học nghiên cứu tại MITEI. Phát hiện của họ được công bố trên tạp chí Năng lượng & Khoa học Môi trường .

Mô hình liên ngành

He nói: “Chúng ta cần một khuôn khổ liên lĩnh vực để phân tích tính kinh tế và vai trò của từng tàu sân bay năng lượng trên nhiều hệ thống nếu chúng ta thực sự hiểu chi phí / lợi ích của điện khí hóa trực tiếp hoặc các chiến lược khử cacbon khác”.

Để thực hiện phân tích đó, nhóm đã phát triển mô hình Tối ưu hóa Quyết định của Mạng lưới Điện-HYdro cacbon thấp (DOLPHYN), cho phép người dùng nghiên cứu vai trò của hydro trong các hệ thống năng lượng carbon thấp, tác động của việc kết hợp các lĩnh vực năng lượng và hydro , và sự đánh đổi giữa các lựa chọn công nghệ khác nhau trên cả hai chuỗi cung ứng – bao gồm sản xuất, vận chuyển, bảo quản và sử dụng cuối cùng, và tác động của chúng đối với các mục tiêu khử cacbon.

Gençer cho biết: “Chúng tôi đang nhận thấy sự quan tâm lớn từ các ngành công nghiệp và chính phủ, bởi vì họ đều đặt câu hỏi về việc đầu tư tiền vào đâu và làm thế nào để ưu tiên các chiến lược khử cacbon của họ. Heuberger-Austin cho biết thêm, “Có thể đánh giá các tương tác ở cấp độ hệ thống giữa điện và nền kinh tế hydro mới nổi là điều tối quan trọng để thúc đẩy phát triển công nghệ và hỗ trợ các quyết định chiến lược của chuỗi giá trị. Mô hình DOLPHYN có thể là công cụ để giải quyết những loại câu hỏi đó. “

Đối với một tập hợp các kịch bản nhu cầu điện và hydro được xác định trước, mô hình xác định sự kết hợp công nghệ với chi phí thấp nhất trên các lĩnh vực năng lượng và hydro trong khi tuân thủ nhiều ràng buộc về vận hành và chính sách. Mô hình này có thể kết hợp một loạt các tùy chọn công nghệ – từ tạo VRE đến thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) được sử dụng với cả năng lượng và sản xuất hydro đến xe tải và đường ống được sử dụng để vận chuyển hydro. Với cấu trúc linh hoạt, mô hình có thể dễ dàng điều chỉnh để đại diện cho các lựa chọn công nghệ mới nổi và đánh giá giá trị lâu dài của chúng đối với hệ thống năng lượng.

Là một bổ sung quan trọng, mô hình có tính đến lượng khí thải carbon cấp quá trình bằng cách cho phép người dùng thêm một khoản phạt chi phí đối với lượng khí thải trong cả hai lĩnh vực. Mallapragada cho biết: “Nếu bạn có ngân sách phát thải hạn chế, chúng tôi có thể khám phá câu hỏi về việc ưu tiên phát thải hạn chế ở đâu để đạt được hiệu quả tốt nhất cho đồng tiền của bạn về mặt khử cacbon”.

Thông tin chi tiết từ một nghiên cứu điển hình

Để kiểm tra mô hình của họ, các nhà nghiên cứu đã điều tra hệ thống năng lượng Đông Bắc Hoa Kỳ theo nhiều kịch bản khác nhau về nhu cầu, công nghệ và giá carbon. Trong khi các kết luận chính của họ có thể được khái quát cho các khu vực khác, vùng Đông Bắc được chứng minh là một nghiên cứu điển hình đặc biệt thú vị. Khu vực này có luật pháp hiện hành và hỗ trợ quy định cho phát điện tái tạo, cũng như tăng các mục tiêu giảm phát thải, một số mục tiêu trong số đó khá nghiêm ngặt. Nó cũng có nhu cầu cao về năng lượng để sưởi ấm – một lĩnh vực khó điện khí hóa và đặc biệt có thể được hưởng lợi từ hydro và từ việc ghép nối hệ thống điện và hydro.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng khi kết hợp các lĩnh vực năng lượng và hydro thông qua điện phân hoặc sản xuất điện dựa trên hydro, sẽ có nhiều hoạt động linh hoạt hơn để hỗ trợ tích hợp VRE trong ngành điện và giảm nhu cầu về các nguồn cung cấp cân bằng lưới thay thế như bộ lưu trữ pin hoặc tạo ra khí có thể phân tán, do đó làm giảm chi phí hệ thống tổng thể. Sự thâm nhập VRE gia tăng này cũng dẫn đến việc giảm phát thải so với các kịch bản không có khớp nối ngành. Mallapragada cho biết: “Tính linh hoạt mà sản xuất hydro dựa trên điện mang lại trong việc cân bằng lưới điện cũng quan trọng như hydro mà nó sẽ sản xuất để khử cacbon cho các mục đích sử dụng cuối khác,” Mallapragada nói. Họ nhận thấy kiểu tương tác lưới điện này thuận lợi hơn so với việc lưu trữ điện dựa trên hydro thông thường, vốn có thể phát sinh thêm chi phí vốn và tổn thất hiệu quả khi chuyển hydro trở lại thành điện năng. Điều này cho thấy rằng vai trò của hydro trong lưới điện có thể có lợi hơn như một nguồn cung cấp nhu cầu linh hoạt hơn là lưu trữ.

Cách tiếp cận mô hình hóa đa lĩnh vực của các nhà nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng CCS tiết kiệm chi phí hơn khi được sử dụng trong chuỗi cung ứng hydro, so với lĩnh vực điện. Họ lưu ý rằng trái ngược với nhận định này, vào cuối thập kỷ này, các dự án CCS sẽ được triển khai trong ngành điện nhiều hơn gấp sáu lần so với sử dụng trong sản xuất hydro – một thực tế nhấn mạnh sự cần thiết phải lập mô hình liên ngành nhiều hơn khi lập kế hoạch năng lượng trong tương lai các hệ thống.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra mức độ chắc chắn của các kết luận của họ dựa trên một số yếu tố, chẳng hạn như việc bao gồm phát thải khí nhà kính không đốt (bao gồm cả phát thải mêtan) từ khí tự nhiên được sử dụng trong sản xuất điện và hydro tác động đến kết quả của mô hình như thế nào. Họ nhận thấy rằng việc bao gồm dấu vết phát thải thượng nguồn của khí tự nhiên trong ranh giới mô hình không ảnh hưởng đến giá trị của sự kết hợp ngành liên quan đến tích hợp VRE và tiết kiệm chi phí cho quá trình khử cacbon; trên thực tế, giá trị thực sự tăng lên do sự chú trọng ngày càng tăng vào sản xuất hydro dựa trên điện so với các con đường dựa trên khí tự nhiên.

Gençer nói: “Bạn không thể đạt được các mục tiêu về khí hậu trừ khi bạn thực hiện một cách tiếp cận toàn diện. “Đây là một vấn đề hệ thống. Có những lĩnh vực mà bạn không thể khử cacbon bằng điện khí hóa, và có những lĩnh vực khác mà bạn không thể khử cacbon nếu không thu giữ cacbon, và nếu bạn nghĩ về mọi thứ cùng nhau, có một giải pháp tổng hợp giúp giảm thiểu đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng ”.

Tham khảo: “Khớp nối ngành qua hydro để giảm chi phí khử cacbon của hệ thống năng lượng” của Guannan He, Dharik S. Mallapragada, Abhishek Bose, Clara F. Heuberger-Austin và Emre Gençer, 4 tháng 8 năm 2021, Khoa học Năng lượng & Môi trường .
DOI: 10.1039 / D1EE00627D

Nghiên cứu này một phần được hỗ trợ bởi Shell Global Solutions International BV ở Amsterdam, Hà Lan và Trung tâm Năng lượng Các-bon thấp của MITEI cho Hệ thống Điện và Thu giữ, Sử dụng và Lưu trữ Các-bon.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.