氢能已作为一种能源载体，可用于脱除难以直接电气化的部门中的碳，包括建筑、交通和工业过程[1]。全球氢能需求稳步增长，世界各国数十个国家已开始实施政策支持其新兴供应链的开发与部署，包括美国和欧盟的各种税收激励和补贴措施[2]，近十年来宣布的新增电解制氢产能已超过3000万吨[3]。
随着各国寻求电力部门脱碳，电网运营商部署更多不可调度的风能、太阳能等可再生能源，需要额外基础设施以更好地利用这些资源并缓解其间歇性影响。在高可再生能源渗透率的电力系统中，对长周期储能（LDES）的需求已得到充分确立，利用季节性变化的资源并降低系统成本[4]。氢能有望满足这一需求，因为通过电解（电转气，P-G）生产的氢可为电力部门提供多日和季节性电网平衡，并灵活生产和使用，当用作电力（气转电，G-P）返回电网时，可为电网运营商提供更广泛的手段来提高可靠性并降低电力总成本[5]。然而，先前研究发现，使用氢能储能的电转气再转电（P-G-P）系统面临重大实施障碍。特别是，气转电基础设施（如氢燃料电池）的低循环效率和相对较高成本严重阻碍了其实施。高度可再生系统模型发现，P-G-P部署对成本降低非常敏感，这为大规模实施提供了一条潜在途径[6]。此外，虽然美国氢能储存设施的开发仍处于早期阶段，但对地质氢储存的早期评估表明，最大能量储存能力超过了天然气能量储存[7]，表明如果能克服现有障碍，P-G-P系统具有强大的潜力。
尽管美国对部署氢能基础设施有重大兴趣和计划，但氢能经济的规模仍远不确定。过去几年宣布数百个项目，但只有极少数按计划完成[8]。此外，氢能技术的成本估计高度不确定，近期预测表明成本高于此前预期[3]。而且，虽然多项研究已确立需要政策支持来推动氢能经济建设的必要性，但这些政策在预期效果和实施地点上存在显著差异。在美国，对现有税收激励措施的持久性及未来是否会引入新激励措施存在重大不确定性[9]。同样，氢能终端应用技术将在多大程度上渗透到各个部门仍不清楚，因为氢能需求仍集中在工业部门[3]。在没有显著需求增长的情况下，利益相关者可能难以证明进一步投资以改善和部署这些技术的合理性。
尽管存在这些不确定性，快速和大规模的氢投资对国家实现其既定气候目标至关重要，特别是在氢的使用不可避免或极具竞争力的终端部门，如工业（如钢铁和化工原料）和长途运输[[10], [11], [12]]。在这些关键用例之外，还有许多其他终端用途，氢可能变得具有竞争力且用途有限（如轻型车辆、商业供暖、航空等），但其路径远不清晰。例如，尽管氢能技术尚未广泛部署，现有文献表明数据中心与P-G-P系统结合可提高可再生能源技术的利用率，特别是与二级供热应用结合时[13]。这种与数据中心的耦合可以缓解因电力需求增长导致的碳排放增加，但这些应用的经济可行性仍不确定，并高度依赖政策支持和生产成本下降[14,15]。考虑到这些终端用途，了解在不同反映可能未来路径的条件下满足氢能需求所需的基础设施至关重要。此外，为了全面绘制行业间动态并指导适当的系统规划，电解制氢和更广泛供应链的模型也必须与区域电力系统的模型相结合。
氢与电力系统之间的相互作用在现有文献中已有充分研究[[16], [17], [18], [19], [20]]。先前研究证明，利用电解制氢作为电力柔性需求源可减少弃电、电力成本以及电池储能和输电需求[21,22]。然而，很少有研究探讨同时利用氢满足终端需求和作为LDES资产的可能性、促成政策及其对电网运营和基础设施需求的影响。例如，针对德克萨斯州的研究除模拟终端需求外还包括G-P基础设施的技术选项，但未探索不同条件以了解G-P基础设施何时可行或必要[23,24]。一项新英格兰的研究确定了电解制氢作为柔性需求源的显著效益，虽然研究发现G-P基础设施的应用场景有限，但该研究考虑的需求和政策情景有限，且分析区域地下氢储存潜力有限，进一步限制了广泛的动态分析[25]。此外，现有的长期氢能部署分析均未反映由于数据中心和大规模负荷增长而预计的电力需求规模，这将对电力部门的基础设施需求产生叠加影响[[26], [27], [28]]。而且，展示P-G-P基础设施用途的现有模型往往在零排放或高度可再生系统中进行，这可能无法反映在缺乏严格碳政策的情况下部署这些技术的促成条件，特别是对于美国和类似国家而言。因此，有必要了解氢的这两个角色——作为LDES资产和各种终端用途的能源载体——在现有系统中如何协同和竞争，特别是在政策和需求持续变化的背景下。
为弥补这些空白，我们模拟了德克萨斯互联电网——一个孤立电网，既是美国最大的氢能生产中心，也是数据中心增长最快的区域——并通过2050年协同优化电力部门和氢能供应链。我们用一系列经济、政策和需求情景测试该模型，以反映氢能经济的不确定未来。通过此，我们阐明了（1）电解制氢满足终端需求所需的条件，（2）氢在满足终端需求的同时可作为电力部门LDES资产的 extent，（3）支持这一新供应链的电力部门基础设施需求，以及（4）这两个部门的相互作用如何影响和驱动投资决策。理解并量化这些相互作用对于确定氢供应链早期发展阶段所需的步骤以及澄清对快速演变电力部门的预期影响至关重要。
