[论文解读] Powering Europe with North Sea Offshore Wind: The Impact of Hydrogen Investments on Grid Infrastructure and Power Prices

Goran Durakovic, Pedro Crespo del Granado+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Hybrid Renewable Energy Systems被引用 11

一句话总结

本研究采用随机容量扩展模型，分析2060年前北海海上风电大规模生产绿色氢气对欧洲电力网络投资和电价的影响。结果表明，氢气部署使总发电容量增加50%，通过海上能源中心减少弃风，并在尽管低需求期区域电价上涨的情况下稳定平均电价。

ABSTRACT

Hydrogen will be a central cross-sectoral energy carrier in the decarbonization of the European energy system. This paper investigates how a large-scale deployment of green hydrogen production affects the investments in transmission and generation towards 2060, analyzes the North Sea area with the main offshore wind projects, and assesses the development of an offshore energy hub. Results indicate that the hydrogen deployment has a tremendous impact on the grid development in Europe and in the North Sea. Findings indicate that total power generation capacity increases around 50%. The offshore energy hub acts mainly as a power transmission asset, leads to a reduction in total generation capacity, and is central to unlock the offshore wind potential in the North Sea. The effect of hydrogen deployment on power prices is multifaceted. In regions where power prices have typically been lower than elsewhere in Europe, it is observed that hydrogen increases the power price considerably. However, as hydrogen flexibility relieves stress in high-demand periods for the grid, power prices decrease in average for some countries. This suggests that while the deployment of green hydrogen will lead to a significant increase in power demand, power prices will not necessarily experience a large increase.

研究动机与目标

• 评估2060年前大规模绿色氢气生产对欧洲发电与输电基础设施投资的影响。
• 评估北海海上能源中心在促进海上风电部署和减少可再生能源发电弃用中的作用。
• 分析氢气部署对欧洲各地区及整体平均电价的多方面影响。
• 研究电力与氢气基础设施协同优化如何在长期能源转型情景下支持欧盟脱碳目标。

提出的方法

• 采用随机容量扩展模型，在可再生能源发电与需求不确定性的条件下，协同优化欧洲电力网络与氢气供应链的发展。
• 模型整合了12个时段的海上风电、电解槽容量、氢气管道与电力输电基础设施，通过情景法表示季节性与小时级的波动性。
• 关键组成部分包括电解槽、氢气管道与输电线路的投资决策，以及电力制氢、氢气输送与电力发电的运营决策。
• 模型采用氢气与电力的平准化成本，基于净现值框架与2%贴现率，优化投资与运营成本。
• 氢气被建模为一种储能与出口机制，需求内生，通过管道与船舶运输。
• 模型明确评估了海上能源中心在集中电力与氢气基础设施、减少弃风与促进跨国能源交换中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着绿色氢气生产的部署，欧洲发电与输电基础设施的投资如何变化？
• RQ2 到2060年，北海地区在欧盟氢气生产与电力部门脱碳目标中贡献多大程度？
• RQ3 海上能源中心能否减少北海海上风电的弃风？其对整体系统效率有何影响？
• RQ4 绿色氢气部署如何影响欧洲不同地区及随时间推移的电价？

主要发现

• 由于海上风电与氢气相关基础设施投资的共同作用，欧洲总发电容量增加约50%。
• 北海海上能源中心主要作为电力输电资产，减少对额外陆上发电容量的需求，并促进大规模海上风电并网。
• 氢气部署使历史上电价较低的地区电价上涨，特别是在低需求季节，但并未导致年平均电价上升。
• 尽管氢气生产增加了电力需求，但由于电网投资缓解了阻塞并提升了高峰需求期的系统灵活性，部分国家的平均电价反而下降。
• 通过氢气生产，特别是依托集中式海上枢纽时，海上风电弃风显著减少，表明氢气基础设施有助于释放风能潜力。
• 本研究发现，绿色氢气生产无法大规模依赖弃用的可再生能源；相反，它需要可再生能源发电与输电容量的大量新增投资。