工业电气化的系统级分析

《AIChE Journal?AIChE》：System-level analysis of industrial electrification

本文开发了一个工业电气化评估框架，量化了成本和环境影响的动态变化，考虑了灵活操作对时间和电价依赖的影响。研究发现，电能转热效率（ε）和电价波动是成本与排放的关键驱动因素，灵活操作可显著降低碳排放但仅小幅降低成本。适用性分析表明，技术转换比能源转换更依赖资本效率（Kc）和能源需求比例（h/е）。案例研究表明，氨生产中碳捕获更经济但排放更低，而电解氨需电价低于$90/MWh才具竞争力。该框架为多行业电气化决策提供了通用参数集。

　　工业制造是全球能源消耗和二氧化碳排放的主要来源之一，占全球能源使用的三分之一以上，以及四分之一的二氧化碳排放。随着经济的发展，工业排放的增长速度超过了其他任何部门。因此，工业脱碳对于能源转型至关重要。然而，工业制造被认为是“难以减排”的部门，因为许多工业过程依赖于碳密集型原料和化石燃料提供的高温热能，而目前缺乏经济上可行的替代方案。因此，如何评估工业电气化的潜力，以及其在经济和环境上的影响，成为一项复杂且具有挑战性的任务。

本文提出了一种评估框架，用于量化工业电气化的成本和环境影响，并考虑了灵活运行的可能性，以利用电价和排放随时间变化的特性。通过这种方法，我们展示了不同工艺参数和能源参数对电气化经济性和环境影响的重要性。研究发现，使用代表性的电价曲线，灵活运行可以显著降低排放，但对成本的降低效果有限。同时，我们发现成本和排放对工艺参数如电能到热能的转换效率高度敏感。这一框架可用于分析多种工业部门的系统经济性和环境影响，从而识别关键驱动因素。

为了更好地理解电气化在不同情境下的影响，我们采用了两种主要的电气化策略：一种是将现有工艺的热能需求转换为电能（称为“主要能源转换”），另一种是用一种主要依赖电能的新工艺替代现有工艺（称为“技术转换”）。在主要能源转换中，我们分析了现有技术的热能和电能需求、资本成本以及转换效率等参数。而在技术转换中，我们进一步考虑了新旧技术之间的热能和电能需求比例，以及它们的资本强度差异。这些参数不仅适用于特定的工业过程，而且可以推广到其他领域，从而为广泛的工业脱碳策略提供支持。

在主要能源转换的分析中，我们发现当电能的转换效率高于1（例如使用热泵）时，电气化可以显著降低能耗。然而，由于电能的资本成本通常高于传统燃料，这种策略在某些情况下可能并不经济。此外，我们还分析了不同电价曲线对成本和排放的影响，发现灵活运行虽然在某些条件下可以减少成本，但整体影响有限。相比之下，排放的减少却可能非常显著，尤其是在电能来源清洁的地区。这表明，在考虑电能的环境影响时，灵活运行可以成为工业脱碳的重要手段。

为了进一步探讨电气化在不同场景下的可行性，我们开发了一个混合整数线性规划模型（MILP），用于分析主要能源转换和新技术转换的运行情况。该模型能够考虑不同时间段内的电价和排放波动，并结合最小负载等参数，评估灵活运行对成本和排放的影响。我们还利用不同地区的电价和排放数据，进行了一系列敏感性分析，以研究电气化策略在不同条件下是否具有优势。结果显示，即使在电价较高的情况下，电气化也能通过降低排放获得环境效益，但经济性则取决于具体的工艺参数和能源条件。

在技术转换的分析中，我们研究了将现有工艺替换为完全依赖电能的新工艺的影响。例如，氨生产过程中，采用电解、空气分离和电气化哈伯-博世工艺（EL-HBE）相比传统的蒸汽甲烷重整和哈伯-博世合成（SMR-HB）虽然可以降低排放，但其成本显著更高。相比之下，采用碳捕集与封存（CCS）技术对传统工艺进行改造，不仅成本更低，而且在减少排放方面也更具优势。因此，在某些地区，采用CCS技术可能比完全电气化更经济有效。

此外，我们还研究了不同参数对电气化经济性和环境影响的敏感性。例如，当电能的转换效率较低时，即使电价下降，电气化也难以在经济上具有竞争力。而当电能的转换效率较高时，电气化可能成为一种更优的选择。这表明，提高电能到热能的转换效率是实现电气化效益的重要手段之一。同时，我们还发现，电价的波动性和排放强度对电气化策略的选择有显著影响，尤其是在灵活运行的情况下。

为了进一步验证这一框架的适用性，我们以氨生产为例进行了案例研究。结果显示，完全电气化虽然在某些情况下可能带来较高的成本，但其在减少排放方面具有显著优势。特别是当采用碳捕集与封存技术时，传统工艺的排放可以大幅降低。这表明，即使在高排放的地区，通过技术改进和政策支持，电气化仍可能成为工业脱碳的重要路径。

总体而言，本文提出了一种通用的评估框架，用于分析工业电气化的经济性和环境影响。该框架不仅适用于特定的工业过程，而且可以推广到其他领域。通过引入一系列通用参数，我们能够更好地理解何时电气化是经济可行的，并如何通过灵活运行和优化工艺参数来最大化其环境效益。未来的研究可以进一步扩展该框架，考虑能源存储、市场规则和政策激励等因素，以更全面地评估工业电气化的潜力。