[论文解读] Decarbonizing the European energy system in the absence of Russian gas: Hydrogen uptake and carbon capture developments in the power, heat and industry sectors

Goran Durakovic, Hongyu Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2023

Global Energy Security and Policy被引用 4

一句话总结

本研究使用改进版的EMPIRE能源系统模型，分析在无俄罗斯天然气供应的情况下，欧洲电力、供热和工业部门脱碳路径的变化，重点探讨氢气和碳捕集与封存（CCS）技术的采用。研究发现，煤与CCS结合在电力和钢铁行业中替代了天然气；随着天然气供应减少，氢气生产从灰氢转向绿氢，而CCS和国内可再生能源成为能源安全与脱碳的关键。

ABSTRACT

Hydrogen and carbon capture and storage are pivotal to decarbonize the European energy system in a broad range of pathway scenarios. Yet, their timely uptake in different sectors and distribution across countries are affected by supply options of renewable and fossil energy sources. Here, we analyze the decarbonization of the European energy system towards 2060, covering the power, heat, and industry sectors, and the change in use of hydrogen and carbon capture and storage in these sectors upon Europe's decoupling from Russian gas. The results indicate that the use of gas is significantly reduced in the power sector, instead being replaced by coal with carbon capture and storage, and with a further expansion of renewable generators. Coal coupled with carbon capture and storage is also used in the steel sector as an intermediary step when Russian gas is neglected, before being fully decarbonized with hydrogen. Hydrogen production mostly relies on natural gas with carbon capture and storage until natural gas is scarce and costly at which time green hydrogen production increases sharply. The disruption of Russian gas imports has significant consequences on the decarbonization pathways for Europe, with local energy sources and carbon capture and storage becoming even more important.

研究动机与目标

• 评估俄罗斯天然气排除对欧洲能源系统脱碳路径的影响。
• 对关键工业部门的内生氢气需求和原料使用进行建模。
• 评估碳捕集与封存（CCS）和可再生能源在能源供应中断情况下的脱碳作用。
• 分析天然气短缺、氢气生产路径与部门能源需求之间的相互作用。

提出的方法

• 对开源EMPIRE模型进行扩展，以纳入内生氢气需求及各行业的详细能源与原料需求。
• 整合线性规划与多时段投资规划，结合随机规划以处理短期不确定性。
• 对通过电解水（绿氢）和天然气转化（灰氢与蓝氢，含CCS）的氢气生产进行建模，考虑电力与天然气的稀缺性。
• 纳入电力、氢气、天然气和CO2的储存、输配及需求削减机制。
• 在各类商品（电力、氢气、天然气、CCS、工业产品）之间应用流量平衡约束，以确保物质与能量的一致性。
• 实施储存关闭约束，确保季节性周期内无净增益或损失，初始储存容量设定为50%。

实验结果

研究问题

• RQ1 俄罗斯天然气供应中断对欧洲电力、供热和工业部门氢气与碳捕集与封存（CCS）技术部署有何影响？
• RQ2 天然气短缺与价格上涨对灰氢向绿氢生产转型有何影响？
• RQ3 在天然气供应中断下，钢铁、水泥、氨合成与炼油厂等行业的能源需求与原料需求如何变化？
• RQ4 当天然气不可用时，煤与CCS在电力与钢铁行业中作为过渡解决方案的可行程度如何？
• RQ5 在能源供应受限条件下，本地能源与CCS为何变得更为关键？

主要发现

• 在俄罗斯天然气供应中断后，煤与碳捕集与封存（CCS）在电力部门显著替代天然气，成为一种过渡性脱碳路径。
• 在钢铁行业，煤与CCS作为向完全脱碳（通过氢气）过渡的中间解决方案，尤其在天然气短缺时更为显著。
• 氢气生产最初依赖含CCS的天然气，但随着天然气变得稀缺且昂贵，其生产路径在2040年后迅速转向绿氢。
• 俄罗斯天然气进口中断提高了国内可再生能源与CCS的战略重要性，使其成为维持脱碳进程的关键要素。
• 天然气储量与CCS能力构成主要约束，CCS封存受限于地理储存容量，而非技术潜力。
• 模型表明，即使无俄罗斯天然气，1.5°C气候目标仍可实现，但前提是必须迅速扩大CCS与绿氢规模以应对供应冲击。