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燃料电池客车绿色氢的价值链——以德国莱茵河主城区为例
- Coleman, M. Kopp*, T. Wagner, B. Scheppat
- 引言
作为减少全球温室气体排放的一项内在必要性，能源转运在今后30年构成一项重大挑战，因为它包括可再生能源生产波动的跨部门增长、为满足区域电力供应和需求而扩大电网以及增加能源储存能力。在能量转化为气体的概念中，氢被认为是最有前途的解决方案之一。
本文提出了一种基于情景的自下而上的方法来分析2025年德国中部莱茵河主要地区用燃料电池巴士替代柴油的氢气供应链。该分析基于6mw动力天然气发电厂Energiepark-Mainz和客车示范项目H2-bus-Rhein-Main的现场数据。对系统进行建模，以便在不同的需求场景下运行模拟。其结果是，根据需求，从发电厂到天然气厂的优化调度中获得的制氢成本最小化。该评估包括制氢的能量预处理、不同的氢输送方案和对气体位置潜在功率的空间分析。
- 介绍
气候变化、能源安全、温室气体减排和当地空气质量等重大社会经济挑战必须得到解决，而一次能源消耗正在增加。《巴黎气候协定》旨在将气温上升限制在高于工业化前气温1.5摄氏度的水平，这表明了创新努力的重要性，概括起来有四个杠杆：提高能效、推广可再生能源、转向零碳能源载体，开发碳捕获和储存技术。
在全国范围内，由于能源转型，将可再生能源的高份额并入地方电网将是未来几年的一个关键问题。例如，德国的“能源转型”是建立在风电和光伏发电等波动性可再生能源装置不断增加的基础上的。根据其具体潜力，地区电力生产差异很大。因此，需要扩大电网并增加储能能力。
除了在电池中进行电化学储存外，还需要一种长期的化学能量载体来缓冲挥发性能量的产生。在气-电（PtG）概念中，氢（H2）通过电解技术利用多余的稀土。这种氢气可作为化工原料和燃料电池应用，作为固定能源生产和车辆的零排放能源载体。在过去的十年中，PtG的技术可行性已经在几个项目中得到了证明。然而，从供需分散以及H2供应链的经济可行性来看，区位因素显示出越来越重要的意义。电源必须与电解尺寸相匹配，需求必须与产氢相匹配，必须分析不同的输送方案，必须考虑氢气生产和储存的空间限制。由于位置分析需要空间参考，地理信息系统（GIS）如ArcGIS是常见的科学实践。特别是多准则分析对于根据各种参数评估位置非常有用。通过叠加现有的地理信息，可以得到新的数据，从而形成满足限制性和选择性条件的子区域，代表个人的适宜性。因此，可以确定PtG工厂位置的技术经济协同效应。
为了实现温室气体减排目标，除了重新整合、电网扩建和储存容量安装外，还必须进行包括所有转运方式在内的交通过渡。电池电动汽车（BEV）包括一个技术相关的电网扩展是一个选择。另一个选择是从化石燃料过渡到PtG工厂生产的可再生氢气，并将其用于燃料电池电动汽车（FCEV），而不是传统的内燃机汽车（ICEV）。然而，在部门耦合和经济可行性方面，绿色H2的分配仍然是一个重大挑战。根据电分析的装机功率以及生产的氢气的主要消耗者，必须考虑不同的分配方案。
考虑到上述所有挑战，以往的科学贡献在长期预测中侧重于国家或甚至国家间的规模，对短期实际执行缺乏影响。文献对氢供应链网络设计进行了全面的综述，强调了氢供应链多目标模型的文献研究存在空白，除经济性外，还有进一步的指标，如不同的可再生原料、副产品和电解最终产品，以及操作的不确定性必须在以后的研究中考虑。随后，将以两个区域示范项目为例，提出一个区域H2价值链的实用系统模型，为FCEV传播提供中短期决策支持。
- 具体研究的动机
文献中对PtG进行了大量的经济分析。PtG装置经济可行性的最终指标是资本支出、运营支出、维护和服务成本、氢气销售收入和电力成本。文献中强调了电力成本对经济可行性的重要性，例如参考文献。[9,10,15,16]。根据DLR等人进行的DelyKaD研究计划。（2015年），2050年，电力成本占制氢总成本的比例将达到45e48%，2025年甚至达到73%[17]。Vanhoudt等人。（2016）计算2030年69%的电力成本份额[18]。根据Chardonnet等人的研究。（2017年），氢在移动领域的使用有望带来最高的销售收入[19]。作者估计终端消费者可能的销售价格为9e10v/kgH2。对于2e3v/kgH2加油站的运行成本计算，氢气生产成本应低于6e7v/kgH2。对于公共交通部门的使用，作者估计可能的制氢成本高达5 V/kgH2【19】，这可以通过优化电力采购和PtG工厂的有利位置因素来实现。后者可分为四个主要类别：电力采购、氢气和副产品销售机会、法定限制和过境选择。
物理电力采购可以通过当地电网或通过直接连接到再发电厂来实现。独家再供应可以在征税、关税和税收方面享有特权[10,20]。在电力供应过剩和由此产生的电网控制需求时期，可以实现更低的电力采购成本，从而提高PtG电厂的经济可行性[7,13,21e24]。为了进一步提高PtG装置的经济可行性，还可以使用电解副产品，如氧气和热量。潜在客户是位于PtG工厂附近的工业场所，使用氧气和废热以及氢气[10,14,15,25,26]。
除了先前的受益人位置因素外，必须在潜在的PtG位置的空间分析中考虑法定限制。如果假设工厂对环境造成潜在危害或对公众造成重大不利影响，则需要特殊保护的所有区域均不在潜在位置考虑范围内（4.1《联邦污染控制法》，德国）。因此，必须考虑国家规划、建设、排放保护和环境法。因此，后者会对自然保护区和类似的自然保护区产生限制[27,28]。此外，必须主要保持联邦水道和一级静水周围的保护距离（61.1 德国联邦自然保护法）[29]。此外，交通线路上的保护缓冲器也必须由交通法添加[27,29]。所有这些因素都限制了PtG工厂的选址。
就氢气需求而言，潜在客户包括工业、交通和供热行业。H2的大部分是通过化石燃料的蒸汽转化产生的，或者作为化学工业的副产品累积[13,25,26,30]。气态H2的运输通过压力为20至50兆帕的管式拖车进行，使用绝缘拖车在253摄氏度下液化，通过指定的H2管道，或进入天然气管网。尽管在氢气容限方面有一定的限制（取决于连接的用户），但天然气电网为氢气储存和运输提供了各种可能性[10,27,31]。因此，RE H2可用于热电联产应用。需要考虑的另一个利用是运输部门，它需要向电力流动过渡，以实现温室气体减排目标[7,13,25]。
电动汽车的受益因素是高交通性能（km/d）、短途旅行的高份额以及恒定的可预测路线图[32]。城市公共巴士运输部门符合这些参数，因此对在公共巴士车队中的传播有很高的期望[33,34]。近年来，替代动力系统公共交通示范项目有所增加。技术上传统的混合动力电动汽车（HEV）、电池电动汽车（BEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）被认为是最有希望实现交通过渡的能源过渡的重要组成部分[35,36]。一般运输用储能系统的回顾和分类见参考文献[37]。Hua等人。（2014）确定可用性、燃料电池耐久性、高资本和氢气成本是FC总线部署的主要障碍[38]。
除了经济上的不确定性外，地方当局和车队运营商目前还将根据不完全信息或长期预测来决定备选动力系统方案[39,40]。这涉及到电网可行性、能源成本、新的收入潜力（如电网服务）、当地条件和与动力系统相关的技术要求（如车间扩建、数字化、安全要求和市场前景）。虽然有关BEV和FCEV的技术经济和减排分析文献丰富[34,41e43]，但运行要求和一次能源供应的基本问题相对较少[16,19]。因此，本文重点研究了基于实际运营数据的区域H2价值链，作为对短期分散能源和运输转型的贡献。
- 案例研究
以下简要介绍了莱茵河干道的总体情况以及作为案例研究的示范项目“能源公园-美因茨”和“莱茵河氢能公交”。
莱茵河主城区是德国区域规划部长级会议确定的11个欧洲大都市区域之一。该地区拥有两个联邦州首府（美因茨和威斯巴登）和金融大都市法兰克福（Frankfurt am Main），大约有570万市民。这三个城市的公共汽车每年累计行驶3800万公里，每年消耗14200吨柴油，排放35吨一氧化碳（CO）、45200吨二氧化碳（CO2）、4吨碳氢化合物（HC），209吨氧化镍和2吨颗粒物。1由于法兰克福、威斯巴登和美因茨三个城市的柴油车因违反2号排放法规而受到禁止的威胁，零排放汽车概念最近变得相对突出[48]。
“美因茨能源园”
自2015年以来，“Energiepark Mainz”项目的6兆瓦质子交换膜电解厂一直是莱茵河主要地区的氢气来源之一。该研究设施旨在为当地电网提供辅助服务，并探索大规模应用质子交换膜电解技术的可能性。三个峰值功率为6mwel，输出量为1000nm3H2/h（89.8kgH2/h）的电解撬是国内第一个大规模的PtG装置。该工厂位于德国美因茨，与一个8兆瓦的风电场相连。该项目的目标是审查为电网提供的辅助服务，并通过转化为氢气储存波动的稀土。产生的氢气用离子压缩机分两级压缩，压缩压力可达22.5兆帕。因此，可以提供三种不同的用途。化学工业和燃料站可以通过20兆帕的管道拖车供应，也可以进入天然气管网。参考文献提供了工厂的详细说明。[49e51]。截至2018年底，该工厂已生产超过225吨氢气，该工厂的运营商签署了一份在“Energiepark Mainz”范围内长期生产氢气的合同。
“莱茵河氢能公交”
“莱茵河氢能公交”项目是由FCH-JU资助的欧洲JIVE（欧洲氢动力汽车联合倡议）项目中的三个德国集群之一。JIVE的目标是通过大规模部署车辆和基础设施，推进燃料电池公交车的商业化，以便在项目结束时，燃料电池公交车在商业上可行，公交车运营商可以在没有补贴的情况下纳入车队，地方和国家政府感到有权对其公共交通系统的零排放推进进行监管。
“莱茵河氢能公交”项目是威斯巴登（ESWE Ver kehrsgesellschaft mbH）、美因茨（Mainzer Mobilitat）的公共交通运营商的合作项目，包括他们的运输协会“Verkehrsverbund Mainz Wiesbaden，VMW）和法兰克福（In der City Bus GmbH”，ICB）。总的来说，这三家运营商每年载客量超过3亿人次。此外，客户机构“traffiQ——Lokale Nahverkehrsgesellschaft Frankfurt am Main mbH”（traffiQ）和公共服务“Mainzer Stadtwerke AG”（MSW）也是项目合作伙伴。
“莱茵河氢能公交”的目标是采购11辆燃料电池总线，这些总线将在莱茵河主要地区使用共享的基础设施运行。除了法兰克福霍奇斯特现有的氢燃料补给站外，威斯巴登还计划新建一座氢燃料补给站，由PtG工厂Energiepark Mainz提供，实现从PtG技术风力发电到燃料电池巴士的区域绿色H2价值链。
2017年，为开发不同的车队替换方案，收集了以下车队运营商的实际运营数据。由于H2储存需求是由车队公里数较高的工作日确定的，因此使用正常的学校运营日作为模型输入。日均往返303次，全程3.9万公里，最长397公里，最短8公里。车队包括141辆标准客车和107辆铰接式客车。此外，H2消耗量和拖车容量的总和如表1所示。
图1示出了适合替换的所有考虑的往返行程的距离。图2显示了一天的往返行程。可以看出，特别是在早晨，需要最多的公共汽车。这是由于校车的交通和高峰时间的一般。此模式被视为子序列最大FC和BE总线方案的限制因素。
5.自下而上的途径与模型综合法
采用自下而上的方法对莱茵河主城区H2价值链进行了评价。因此，H2需求和交付选项是根据公共巴士运营数据和车队替换方案计算的。根据燃料电池总线的不同情况，用优化的购电策略对PtG装置进行了为期7天的产氢模拟，并对电解额定功率进行了模拟。最后，对莱茵河干流地区PtG装置进行了多准则空间分析。
“公交车的替换方案”
考虑到公交公司的替代目标，开发了两种电池性能不同的车队方案。目标是在2025年实现零排放公交车车队，包括电池电动（BE）和燃料电池电动（FC）公交车。根据2003年至2017年的数据推断，2025年前车队公里数的增长（每年增长1.3%）。此外，假设最小车辆行驶里程（BEV和FCEV）与温度和地形无关。由于公交车辆段的空间限制，管式或罐车每天的氢气输送量应小于1辆。BE巴士收费概念在一夜之间实现，中间车辆段通过往返优化收费。从车辆段到路线起点的空车公里数，以及从车辆段到路线起点的空车公里数，最大限制为3公里。调试限制为每年35辆FC总线和50辆BE总线。由于技术成熟度从7级提高到9级，FC总线市场的渗透性符合参考文献[34]中预测的“重载”路径。预计到2020年，欧洲将有更多的FC总线按照这一技术路线设计。
“专业电池”方案假设电池开发到能够保证标准BE总线范围大于250公里，铰接BE总线范围为200公里，从而覆盖100%的标准BE总线和大约66%的铰接BE总线往返行程。200公里以上的往返是由技术先进的的FC巴士进行的。
“专业FC
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