随着美国努力实现到2035年实现零碳发电的目标，能源供应商正在迅速增加太阳能和风能等可再生能源。但是，由于这些技术只有在太阳照耀和风吹的时候才会产生电子，因此它们需要其他能源的备份，尤其是在电力需求旺盛的季节。目前，燃烧化石燃料（主要是天然气）的植物填补了这一空白。

麻省理工学院能源倡议（MITEI）的研究科学家埃姆雷·根瑟（Emre Genéer）表示："随着我们向越来越多的可再生能源渗透，这种间歇性将对电力系统产生更大的影响。这是因为电网运营商将越来越多地采用化石燃料为基础的"峰值"工厂，以补偿可变可再生能源（VRE）的间歇性太阳和风能。"如果我们要实现零碳发电，我们必须取代所有温室气体排放源，"Genéer说。

温室气体排放峰值电厂的低碳和零碳替代品正在开发中，如锂离子电池阵列和氢发电。但是，这些不断发展的技术都带有自己的一系列优势和限制，而且事实证明，很难以对从事清洁能源转型的政策制定者、投资者和公用事业公司有用的方式来界定关于这些选择的辩论。

现在，Genéer和DraxD.Hernandez SM'21已经想出了一个模型，使得能够更精确地确定这些峰值植物替代品的利弊。他们的混合技术和经济分析，基于加州电力系统的详细清单，于上个月在网上发表在《应用能源》杂志上。虽然他们的工作侧重于更换峰值发电厂最具成本效益的解决方案，但它也包含旨在促进关于能源系统转型的更大对话的见解。

"我们研究的基本要点是，与锂离子电池相比，氢燃料发电可以是更经济的选择——即使在今天，氢气生产、传输和储存的成本也非常高，"Hernandez说，他是麻省理工学院的研究生研究助理。Genéer补充道，"如果我们分析的案例中有氢气的位置，那么这表明氢气在能量转换中可以发挥有希望的作用。

将成本加起来

加州是一个快速变化的电力系统的明星范例。该州20%以上的电力来自太阳能，约7%来自风能，更多的VRE迅速上线。这意味着其峰值电厂已经发挥了关键作用，每天晚上太阳下山时，或者当热浪等事件一次提高用电量数天时，就会上网。

"我们考察了加州所有的高峰植物，"Genéer回忆道。"如果我们用氢涡轮机或锂离子电池代替它们，我们想知道电费。研究人员使用一种称为电平化成本（LCOE）的核心指标来比较不同技术的成本。LCOE 测量在该资产假设寿命内每单位发电的总发电量中建造和运营特定发电资产的平均总成本。

该团队选择2019年作为他们的基础研究年，研究了运行天然气发电峰值电厂的成本，他们将其定义为每年运营15%的电厂，以应对间歇性可再生能源发电的缺口。此外，他们还确定了这些植物排放的二氧化碳量和减少这些排放量的费用。这些信息大部分是公开的。

以大量锂离子电池取代峰值工厂的价格也相对简单："锂离子没有技术限制，因此您可以建造尽可能多的锂离子电池：但是，就储能和制造储能所需的采矿量而言，它们非常昂贵，"Genéer 说。

但随后出现了一个困难的部分：确定氢发电的成本。"最困难的事情是为新技术找到成本假设，"埃尔南德斯说。"你不能通过文献评论来做到这一点，因此我们与设备制造商和工厂运营商进行了多次对话。

研究小组考虑了两种不同形式的氢燃料来替代天然气，一种是通过电解器设施生产的，将水电转化为氢气，另一种是改革天然气，产生氢气和碳废料，以减少排放。他们还对天然气发电厂进行改装以燃烧氢气，而不是建造全新的设施。他们的模型包括确定全州可能的位置和建造这些设施所涉及的费用。

研究人员花了几个月的时间编制一个巨大的数据集，然后才着手进行分析。埃尔南德斯说："氢气可以替代锂离子电池，在电网上达到峰值运行。此外，Genéer指出，"虽然某些技术在特定地点效果更好，但我们发现，平均而言，改造氢而不是电解氢是取代峰值工厂最便宜的选择。

能源投资者的工具

当他开始这个项目时，Genéer承认他对氢气取代峰值电厂的天然气"没有希望"。"在我们不同的场景中，看到氢气有一席之地，这有点令人震惊。这是因为将化石燃料工厂转换为氢气工厂的总体价格非常高，而且这种转换很可能要等到更多的经济部门接受氢气（无论是作为运输燃料还是用于各种制造和工业目的）之前才会发生。

一个新兴的氢气生产基础设施确实存在，主要在生产氨肥方面。但是，在有目的的激励措施的推动下，扩大这一框架以满足电网规模需求，将需要大量投资。"根据今天提出的任何气候解决方案，我们需要碳税或碳定价：否则没有人会转向新技术，"根舍尔说。

研究人员认为，像他们这样的研究可以帮助关键的能源利益相关者做出更明智的决定。为此，他们把分析整合到SESAME中，SESAME是麻省理工学院研究人员开发的一系列能源系统的生命周期和技术经济评估工具。例如，用户可以利用这种复杂的建模环境来比较不同技术的储能和排放成本，或者确定用氢气驱动的工厂取代天然气发电厂是否具有成本效益。

"随着公用事业、工业和投资者寻求脱碳和实现零排放目标，他们不得不权衡目前投资于低碳技术的成本与气候变化未来的潜在影响，"埃尔南德斯表示。他认为，随着生产成本的下降和市场的扩大，氢气的成本竞争力将越来越强。

作为麻省理工学院即将出版的《存储的未来》研究的研究小组成员，Genéer知道，单靠氢气不会带来零碳的未来。但是，他说，"我们的研究表明，我们需要在能源转型中认真考虑氢气，开始考虑氢气应该使用的关键领域，并开始进行必要的大规模投资。

这项研究的资金由MITEI的低碳能源中心和存储未来研究提供。