隨著美國努力實現到2035年實現零碳發電的目標，能源供應商正在迅速增加太陽能和風能等可再生能源。但是，由于這些技術只有在太陽照耀和風吹的時候才會產生電子，因此它們需要其他能源的備份，尤其是在電力需求旺盛的季節。目前，燃燒化石燃料（主要是天然氣）的植物填補了這一空白。

麻省理工學院能源倡議（MITEI）的研究科學家埃姆雷·根瑟（Emre Genéer）表示："隨著我們向越來越多的可再生能源滲透，這種間歇性將對電力系統產生更大的影響。這是因為電網運營商將越來越多地采用化石燃料為基礎的"峰值"工廠，以補償可變可再生能源（VRE）的間歇性太陽和風能。"如果我們要實現零碳發電，我們必須取代所有溫室氣體排放源，"Genéer說。

溫室氣體排放峰值電廠的低碳和零碳替代品正在開發中，如鋰離子電池陣列和氫發電。但是，這些不斷發展的技術都帶有自己的一系列優勢和限制，而且事實證明，很難以對從事清潔能源轉型的政策制定者、投資者和公用事業公司有用的方式來界定關于這些選擇的辯論。

現在，Genéer和DraxD.Hernandez SM'21已經想出了一個模型，使得能夠更精確地確定這些峰值植物替代品的利弊。他們的混合技術和經濟分析，基于加州電力系統的詳細清單，于上個月在網上發表在《應用能源》雜志上。雖然他們的工作側重于更換峰值發電廠最具成本效益的解決方案，但它也包含旨在促進關于能源系統轉型的更大對話的見解。

"我們研究的基本要點是，與鋰離子電池相比，氫燃料發電可以是更經濟的選擇——即使在今天，氫氣生產、傳輸和儲存的成本也非常高，"Hernandez說，他是麻省理工學院的研究生研究助理。Genéer補充道，"如果我們分析的案例中有氫氣的位置，那么這表明氫氣在能量轉換中可以發揮有希望的作用。

將成本加起來

加州是一個快速變化的電力系統的明星范例。該州20%以上的電力來自太陽能，約7%來自風能，更多的VRE迅速上線。這意味著其峰值電廠已經發揮了關鍵作用，每天晚上太陽下山時，或者當熱浪等事件一次提高用電量數天時，就會上網。

"我們考察了加州所有的高峰植物，"Genéer回憶道。"如果我們用氫渦輪機或鋰離子電池代替它們，我們想知道電費。研究人員使用一種稱為電平化成本（LCOE）的核心指標來比較不同技術的成本。LCOE 測量在該資產假設壽命內每單位發電的總發電量中建造和運營特定發電資產的平均總成本。

該團隊選擇2019年作為他們的基礎研究年，研究了運行天然氣發電峰值電廠的成本，他們將其定義為每年運營15%的電廠，以應對間歇性可再生能源發電的缺口。此外，他們還確定了這些植物排放的二氧化碳量和減少這些排放量的費用。這些信息大部分是公開的。

以大量鋰離子電池取代峰值工廠的價格也相對簡單："鋰離子沒有技術限制，因此您可以建造盡可能多的鋰離子電池：但是，就儲能和制造儲能所需的采礦量而言，它們非常昂貴，"Genéer 說。

但隨后出現了一個困難的部分：確定氫發電的成本。"最困難的事情是為新技術找到成本假設，"埃爾南德斯說。"你不能通過文獻評論來做到這一點，因此我們與設備制造商和工廠運營商進行了多次對話。

研究小組考慮了兩種不同形式的氫燃料來替代天然氣，一種是通過電解器設施生產的，將水電轉化為氫氣，另一種是改革天然氣，產生氫氣和碳廢料，以減少排放。他們還對天然氣發電廠進行改裝以燃燒氫氣，而不是建造全新的設施。他們的模型包括確定全州可能的位置和建造這些設施所涉及的費用。

研究人員花了幾個月的時間編制一個巨大的數據集，然后才著手進行分析。埃爾南德斯說："氫氣可以替代鋰離子電池，在電網上達到峰值運行。此外，Genéer指出，"雖然某些技術在特定地點效果更好，但我們發現，平均而言，改造氫而不是電解氫是取代峰值工廠最便宜的選擇。

能源投資者的工具

當他開始這個項目時，Genéer承認他對氫氣取代峰值電廠的天然氣"沒有希望"。"在我們不同的場景中，看到氫氣有一席之地，這有點令人震驚。這是因為將化石燃料工廠轉換為氫氣工廠的總體價格非常高，而且這種轉換很可能要等到更多的經濟部門接受氫氣（無論是作為運輸燃料還是用于各種制造和工業目的）之前才會發生。

一個新興的氫氣生產基礎設施確實存在，主要在生產氨肥方面。但是，在有目的的激勵措施的推動下，擴大這一框架以滿足電網規模需求，將需要大量投資。"根據今天提出的任何氣候解決方案，我們需要碳稅或碳定價：否則沒有人會轉向新技術，"根舍爾說。

研究人員認為，像他們這樣的研究可以幫助關鍵的能源利益相關者做出更明智的決定。為此，他們把分析整合到SESAME中，SESAME是麻省理工學院研究人員開發的一系列能源系統的生命周期和技術經濟評估工具。例如，用戶可以利用這種復雜的建模環境來比較不同技術的儲能和排放成本，或者確定用氫氣驅動的工廠取代天然氣發電廠是否具有成本效益。

"隨著公用事業、工業和投資者尋求脫碳和實現零排放目標，他們不得不權衡目前投資于低碳技術的成本與氣候變化未來的潛在影響，"埃爾南德斯表示。他認為，隨著生產成本的下降和市場的擴大，氫氣的成本競爭力將越來越強。

作為麻省理工學院即將出版的《存儲的未來》研究的研究小組成員，Genéer知道，單靠氫氣不會帶來零碳的未來。但是，他說，"我們的研究表明，我們需要在能源轉型中認真考慮氫氣，開始考慮氫氣應該使用的關鍵領域，并開始進行必要的大規模投資。

這項研究的資金由MITEI的低碳能源中心和存儲未來研究提供。