第一作者：马嘉泽
通讯作者 : Victor Zavala
通讯单位：University of
Wisconsin-Madison
论文DOI：https://doi.org/10.1039/D3EE00568B
电力市场的价格波动性，为化工生产提供了新的机遇。灵活的PEM电解装置，可在短时间内调节工作负荷，以最低的用电成本生产氢气。所得氢气可作为甲醇，合成氨等化工产品的生产原料。本文结合过程模拟，泛函理论，以及过程优化，提出了一套可以最大程度降低氢气生产成本的工艺流程。可再生能源的供电不连续性，使得电力市场的价格波动极大。这一现象为低成本生产绿氢提供了新的机遇。如何最大程度利用电力市场的波动性去降低氢气生产成本，是一个优化问题。
结合了过程模拟，泛函理论以及优化，系统性的探索了在不同类型，不同区域的电力市场中生产绿氢的经济可行性。Figure 1. (a) Average electricity
prices for real time markets in the US in 2020. (b) Frequency (percent of times)
in which negative electricity prices were observed in the US in 2020.美国的电力市场具有很强的区域性。由于可再生能源的供电不稳定性以及用电端的需求波动，导致电力市场的价格经常出现负值，也就是用电反而会得到奖励。Figure 2. Real-time (left) and
day-ahead (right) electricity prices in Panhandle, TX in 2020.在美国有两种常见的电力市场，第一类称作Real
Time Market (RTM), 其电价每5分钟变化一次。第二类称作 Day Ahead Market（DAM），其电价每一小时变化一次。作为电力消费者，可以随意参与其中任何一种电力市场。Figure 3. Schematic diagram of the
proposed process.本文中，我们利用PEM电解池可快速调节负荷的灵活性，参与不同地区，不同频率的电力市场。在电价高峰，我们降低电解池的功率，使用氢气储罐为甲醇合成提供稳定的氢气。在电价低谷时期，电解池开足马力，生产足够甲醇所需的氢气外，还额外生产多余的氢气储存起来，以备后续电价高峰时期使用。电解池的功率，数量，操作模式，氢气储罐容量，以及参与哪一类电力市场，都是这个模型需要回答的问题。而我们的过程优化模型，可以优化系统的每一个参数，实现以最小的成本生产绿氢，为甲醇合成提供原料。Figure 7 Levelized cost of
hydrogen for different energy sources, including electrification, natural gas
(NG), coal, natural gas with CO2 sequestration (NG seq), Coal with
CO2 sequestration (Coal seq), and biomass.我们发现，这一构想，在北德克萨斯地区，具有很大的经济优势。通过合理的设计电解池的数量，氢气储罐的容量，以及战略性的调节电解池的功率，氢气的最低成本仅为0.9美金每千克。相比于煤制氢，天然气制氢，具有很大优势。自俄乌战争以来，天然气价格暴增。因此，降低绿氢生产成本，替代天然气制氢对保障化工生产原料的稳定供应具有战略意义。同时，这种削峰填谷的电制氢工艺，也有助于提高电网的稳定性。本文作者马嘉泽，威斯康辛大学化工博四学生，辅修计算机专业，师从Victor Zavala 教授，主要从事大规模优化算法，供应链管理，能源系统优化，塑料回收系统分析等科研项目。曾在美国阿贡实验室以及陶氏化学，从事大规模供应链优化的工作。详情见个人主页（google page）以及google学术：https://sites.google.com/wisc.edu/jiazema/home?pli=1https://scholar.google.com/citations?hl=en&user=UXvSq9AAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate本文作者马嘉泽今年秋季博士毕业，在积极寻找教职。如有合适岗位，欢迎各位老师同学邮件联系：更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。