2024工业电气化和氢能的作用

工业电气化和氢能的作用2024内容1脱碳电网的可靠性需求不断演变3当今工业用电3.能源基础设施投资对脱碳的贡献路径8能源密集型产业的灵活性氢能电力系统中的13个潜在应用从绿色氢能中获取灵活性的14个注意事项未来可再生能源占比较高的电网17提供电网服务系统规划、运营和市场设计方面需要取得21个进步24参考文献产 iv1脱碳电网的可靠性需求不断演变随着随着迫切需要新的灵活性来源（（EPRI1n0s1年）%或（EPRI年）（间（

以及可再生能源本身可能需要补充新的能源。（EPRI6年）能源系统集成组能源系统集成组212衡。

ư70（

ư。（（

步研究的关键领域。能源系统集成能源系统集成PAGE3组等础（）（Lovins2021b）。

（（）能源基础设施对脱碳的贡献途径当今工业用电（（）图1能源密集型产业与其他经济部门之间的联系注：红色文字指本报告中讨论的EIIs。r和（2018年）。能源系统集成集团能源系统集成集团PAGE10(CO2

15%转换以及关闭工厂或减少产量等多种方式实现的，这主要归因于2008年金融危机。1990201536的

如表1所示，进一步减少排放的途径有很多。除了进一步提（Wei、McMillan和eaeu9年献的广泛潜力。热（）（500°C（1000°C

33%（然而，为了经济地实现接近表格1各类高耗能行业的减排措施电气化（流程：电解/碳生物质碳电气化电化学氢捕获并（热和捕获并其他（热和机械的）（热量和/或流程）利用率原料）/生物燃料贮存（包括流程一体化）钢 xxxxxxxxxXxxxxxxxxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx

xxx（特）

废物流的利用（化学回收）：xxx水泥oXxxxxxxxxx（）xxx酸橙（水泥）（水泥）（水泥和石灰）（水泥和石（水泥）（水泥和石Xo灰）X灰）（酸橙）（酸橙）（酸橙）xxx（xxx精制oxxxxxxxxxxxx效率：xxx陶瓷xxxoXXo效率：xxx纸oooxxxo效率：xxx玻璃xxxoXoxxxoxx有色xxxxxxXXxxxX效率：xxx金属金属/xxx合金xxxox

xxxxx力

xxx=该部门已大规模应用该技术（在某些情况下可以扩展）注意：即使在水泥热能脱碳之后，基于反应的排放仍然存在。r和（2018年）。产所需的1,000°C以上的温度，需要进行大量额外的研究、开发和示范。

工业流程（Edie1年）4（1年）201635.5%原（BIR0年）。

通过提高工业过程的电气化程度，继续实现工业脱碳的关键是将技ư(TRL)7以上20300（Allanore4年）。

（EPRI另一种间接脱碳的选择是通过电气化，下一节将详细讨论，L1到1（9（

EIIEII工业电气化程度提高导致需求增加

通过能源效率和需求侧管理回复。0I通过能源效率和需求侧管理回复。年的水ư相比，其额外消耗3,000至4,400TWh（增长120%至180%）（Eurostat1年）美国电力研究所在一项评估工业电气化对电网影响的研究中2050年2745%（EPRI，8年）2050%（Khanna年）。

到2050年于2012(PalmNilsson和Åhman，2016年)1400TWh1900TWh(PalmNilsson6年)0（）。完全实现工业部门电气化需要大量新增发电能力，即使电力2050（Lech‑r6年）0、10O（CO2O+H2

通过工业负荷提供需求响应（素，而他们参与的激励是需求侧管理可用性的关键驱动因素。原料从化石燃料转换为非化石燃料的情况，并估计要将整个

（（）。/ISO

提供任何一种响应。在大多数情况下，先进的计量基础设施已经到位；因在大多数情况下，先进的计量基础设施已经到位；因提供电网服务（（Dorreen7h6年）（）1提供宝贵的灵活性。

（）备（（用）率的变化率。新电气化负荷提供灵活性的障碍（（Deason8年）。及可能用于管理小时内变化和不确定性的ư衡备用。

（）最后，即使某个地区克服了上述所有障碍，区域工业脱碳面临的（EC期）。电力部门既可以促进电网的灵活性，又可以促进该部门的脱碳，是（（MacDowell1年）。（Buttler8t7年）（Staffell9年（ETN0年（IEA9年（EC技术可能会在电力和能源系统规划中发挥越来越重要的作用。电力系统规划和运营需要充分了解这些资源的能100

政策（强制规定、补贴、排放上限或二氧化碳ư（Wang8年）。（H2Bulletin（2021）与氢燃料相关的颜色定义）。0至0（Shell年）（EC（HFCTO（ADISER1年）（Brooks1年）氢在电力系统中的潜在应用

在完全脱碳的电力系统的供应方面做出重大贡献，以弥补（Denholm(2021)Strbac(2020)BlancoFaaij(2018)Blanco(2018aBlanco)等）效应。能源工厂还是作为整个电力系统的一部分。（例）（）（

20502050%（IEA1年）。214（（）。（产 13能源系统集成集团能源系统集成集团PAGE14图2图2燃气轮机发电或燃料电池电力系统（）氢气系统（天然气系统（）Belderbos(2019)。前提是，从长远来看，传统天然气将消失，合成甲（）未来从绿色氢能获得灵活性的考虑因素高可再生能源电网

氢的用途以及不同技术的发展都发挥着作用。负荷小时数对财务/经济的影响氢气生产的可行性（（（页）（）（）（Mazloum0年）。图3氢能资本支出假设电价为40美元/兆瓦氢气电价，假设图3氢能资本支出假设电价为40美元/兆瓦氢气电价，假设450/10 1088100/瓦80/6//瓦660/瓦40/44瓦20/2瓦0/20 00 2,000 4,000 6,0008,000 02,000 4,0006,0008,000左图中，随着满负荷小时数的增加，电价下降。X=（2019年）过25（近没有合适的地质条件。

鉴于目前的脱碳目标，电解槽可能会在2030年代和2040年代变（（）单向和双向耦合的相对成本（2）单向与双向氢气使用（Mongird0年）70%的（）。

（（IEA1r8a0年）。(ENTSO‑G(s1年)0（）相比之下，美国的天然气输送线路长度超过320,000英里。（

（（（IRENA0年）直流(HVDC（适当位置的氢气生产衍生燃料，运输至负荷中心

产 16对市场结果的影响提供电网服务

电解槽特性及配置（务）（）（）（（）

6(PEM)（IRENA，因此，了解电解器的功能、它们如何替代或补充非常重要（kWe（（Belderbos9年）。（（产 17能源系统集成集团能源系统集成集团PAGE192020年）(SOEC来10到20PEM（PEM）C90第19页性。PEMPEM会导致SOEC

负载范围10%到110%范围SOEC20%到100PEM）（衡PEM（）相反，物质竞争可能会发挥作用。PEMPEM电碱性电解器PEM电解器SOEC电解器天 2030标2030长期目标2030长期电气70–8056–6063–6867–7474–8177–8477–90效率（%）工作压力（巴）1–3030–801工作温度（℃）60–8050–80650–1,000电池寿命（工作时万– 万–10万–30,000–6万–100,00–10,000–4万–75,000–间）万 100,00015万9万9万15万30,0006万100,000负载范围（%，10–1100–16020–100相对于额定负载）工厂占地面积（ư0.0950.048方米/千瓦）资本支出500– 400–850200–7001,100–650–200–9002,800–800–500–1,000(美元/千瓦)1,4001,8001,5005,6002,800表2表2V=e=X备、气体调节和工厂ư衡。CAPEX范围反映了不同的系统规模和未来估计中的不确定性。（2019年）20和8年）。（（PEM（

无论是电气侧还是氢气侧，电解槽都可以连接或处于孤（（）（GhazaviDozeini和Man1年）表3三种主要电解槽类型的启动时间和升温速率电解器类型(PEM

冷启动

创业自温/热备用秒

升温速率碱性电解槽

1至2小时

1至5分钟

固体氧化物电解池（SOEC）

几分钟

（Hovsapian，2017）。可逆模式下运行SOEC（Guan69Mogensen9年）PEMPEM（Escobarf1ld7h8年）（Paul和7h8年（Escobarf年）

氢燃料燃气轮机（及）（（ETN0年）。系统规划需要取得进展，运营和市场设计能源系统脱碳将导致电力系统，以及它们之间的相互作用。（

除了提供需求方灵活性