《Applied Energy》：Low-cost hydrogen production: Techno-economic analysis of high-temperature porous electrode membraneless electrolysis
編輯推薦：
電力行業(yè)耦合理論體系構(gòu)建：通過結(jié)構(gòu)、功能、電力中心三維度解構(gòu)現(xiàn)有定義，提出涵蓋物理與非物理連接的綜合概念，并按驅(qū)動機制建立六類互連分類框架，為能源系統(tǒng)建模和政策協(xié)同提供統(tǒng)一基礎(chǔ)。
Nishant Tyagi | Alexander Roth | Anibal Sanjab | Erik Delarue
應(yīng)用力學(xué)與能源轉(zhuǎn)換系，魯汶天主教大學(xué)，Celestijnenlaan 300，魯汶，3001，比利時
摘要
行業(yè)耦合（SC），即能源載體與終端使用行業(yè)之間的整合，在實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)的過程中日益重要，但其在概念上仍然存在碎片化現(xiàn)象。這種碎片化導(dǎo)致了建模上的不一致性，阻礙了跨研究的比較，并削弱了能源政策的協(xié)調(diào)性。我們通過系統(tǒng)地梳理現(xiàn)有定義，將其分為結(jié)構(gòu)維度、功能維度和以電力為中心的維度，并分析其局限性，來填補這一空白。基于這些見解，我們提出了一個能夠全面反映SC多樣性和復(fù)雜性的定義：SC是指在能源載體之間、能源消費終端使用行業(yè)之間、載體與行業(yè)之間，以及連接它們的各個層面（能源處理、傳輸、市場和政策）之間建立物理或非物理的互聯(lián)互通。這一定義明確了“行業(yè)”的構(gòu)成，區(qū)分了“行業(yè)耦合”與“靈活性”等相關(guān)概念，并涵蓋了行業(yè)耦合能源系統(tǒng)中的所有互聯(lián)互通方式。基于這一定義，我們將SC的互聯(lián)互通方式分為六類：載體耦合、終端使用行業(yè)耦合、載體轉(zhuǎn)換耦合、網(wǎng)絡(luò)耦合、市場耦合和政策耦合。我們的定義和分類為SC領(lǐng)域提供了統(tǒng)一的概念基礎(chǔ)。該框架的模塊化架構(gòu)使其可以擴展到新的終端使用行業(yè)、非能源物質(zhì)流以及物質(zhì)-能源循環(huán)路徑。它有助于建模者避免模型范圍上的無意不匹配，標(biāo)準(zhǔn)化模型中的SC實現(xiàn)方式，并追蹤系統(tǒng)范圍內(nèi)的連鎖反應(yīng)。同時，它還可以幫助政策制定者設(shè)計結(jié)構(gòu)化的方案，確定在特定情況下哪種SC路徑最有效，并協(xié)調(diào)跨行業(yè)和跨載體的政策。通過將碎片化的概念整合成一個連貫且全面的整體，這項工作推動了SC理論的發(fā)展。
引言
不斷上升的排放量和日益嚴重的氣候影響要求我們迫切地改造能源系統(tǒng)，即在供應(yīng)端增加可再生能源的使用，并在需求端轉(zhuǎn)向低碳能源載體。要充分發(fā)揮這些策略的潛力，需要之前孤立存在的能源載體與終端使用行業(yè)之間進行協(xié)調(diào)的系統(tǒng)級互動。這就是行業(yè)耦合（SC）的核心：將能源載體（如電力、天然氣、熱能、分子）與終端使用行業(yè)（如交通、工業(yè)、住宅、服務(wù)）相互連接。在過去十年中，SC作為一種整體能源系統(tǒng)策略，對于實現(xiàn)靈活且具有成本效益的凈零排放轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。
SC的實際應(yīng)用并非近期現(xiàn)象。例如電池電動汽車（BEVs）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）系統(tǒng)等創(chuàng)新早在19世紀就已經(jīng)出現(xiàn)，這些技術(shù)將能源載體與終端使用行業(yè)聯(lián)系起來。CHP系統(tǒng)最早出現(xiàn)在19世紀80年代的美國，當(dāng)時城市發(fā)電廠開始利用多余的蒸汽為附近的建筑物供暖。然而，長距離交流電傳輸技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模發(fā)電機組的出現(xiàn)使得發(fā)電廠從城市中心遷移，限制了廢熱利用的可行性[1]。同樣，BEVs也在19世紀80年代在美國和歐洲開始普及，但隨后被大規(guī)模生產(chǎn)的內(nèi)燃機車輛（ICEVs）所取代，導(dǎo)致這些早期的SC應(yīng)用基本停滯[2]。到了20世紀末，這兩種技術(shù)重新得到發(fā)展。電力市場的自由化促進了分散式CHP單元的發(fā)展[3]，而電池技術(shù)的進步和排放標(biāo)準(zhǔn)的收緊也使BEVs重新受到關(guān)注[4]。
在過去二十年里，SC的應(yīng)用已經(jīng)超越了實際領(lǐng)域，成為政策層面脫碳的關(guān)鍵手段。在國家層面，德國的《2050年氣候行動計劃》在2016年明確承認了SC的重要性[5]。在歐盟層面，SC在2018年歐洲議會委員會的報告中得到認可[6]，并得到了《歐洲綠色協(xié)議》對智能行業(yè)整合的強調(diào)[7]的進一步支持，隨后通過歐盟委員會的跨行業(yè)脫碳戰(zhàn)略得到正式化[8]。最近，歐盟的“跨境可再生能源（CB RES）項目”也重點支持SC項目，包括電力轉(zhuǎn)天然氣（P2G）系統(tǒng)[9]。SC在歐盟之外也獲得了政治支持，例如澳大利亞的“建模行業(yè)路徑以實現(xiàn)凈零排放”倡議[10]。與此同時，監(jiān)管機構(gòu)也通過聯(lián)合規(guī)劃電力和天然氣電網(wǎng)等措施支持SC[11]、[12]。
盡管SC具有悠久的實際應(yīng)用歷史和政策相關(guān)性，但其理論發(fā)展相對滯后。2000年代末的能源樞紐模型等基礎(chǔ)性工作[13]，以及最近的貢獻[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]，有助于啟動關(guān)于SC的正式學(xué)術(shù)討論。然而，SC的理論概念化仍然存在碎片化，目前還沒有被普遍認可的“行業(yè)耦合”定義[21]、[22]、[23]。一些定義將SC狹義地等同于終端使用的電氣化，而另一些定義則包括了非電力能源流（如廢熱和生物燃料）。甚至“行業(yè)”一詞的解釋也不一致，不同的SC定義包含的行業(yè)范圍也各不相同。在區(qū)分“供應(yīng)端行業(yè)”和“需求端行業(yè)”時也存在歧義，“電力”在不同SC定義中的分類也有所不同。
缺乏統(tǒng)一的SC框架對能源轉(zhuǎn)型領(lǐng)域的不同利益相關(guān)者群體產(chǎn)生了不同的影響（圖1）。對于建模者和研究人員來說，這在能源系統(tǒng)建模的關(guān)鍵階段帶來了具體挑戰(zhàn)。在模型開發(fā)過程中，不一致的SC解釋會導(dǎo)致關(guān)于應(yīng)包含哪些載體、終端使用行業(yè)和互聯(lián)互通方式的模糊性，從而導(dǎo)致不同工具之間的系統(tǒng)邊界存在差異。在解釋模型結(jié)果時，很難追蹤一個組件的變化如何在整個系統(tǒng)中傳播，或者僅建模子系統(tǒng)可能會因排除某些組件而扭曲結(jié)果。此外，跨模型比較也具有挑戰(zhàn)性，因為建模方法和內(nèi)部假設(shè)的差異會影響關(guān)鍵模型結(jié)果，如排放量、系統(tǒng)成本和靈活性。
政策制定者和監(jiān)管機構(gòu)同樣受到影響。首先，在設(shè)計方案時，關(guān)于SC構(gòu)成的模糊性使得SC應(yīng)用（如BEVs）和僅提供靈活性的措施（如電池）之間的區(qū)別變得模糊，由于兩者經(jīng)常被捆綁在一起，因此難以區(qū)分和評估SC的特定影響，從而削弱了所設(shè)計方案的相關(guān)性。其次，在情境對比SC應(yīng)用時，即確定“什么”在何種情境下最有效，首先需要一個統(tǒng)一的SC定義。最后，在缺乏系統(tǒng)級SC互聯(lián)互通藍圖的情況下，政策制定者缺乏一個共同的參考標(biāo)準(zhǔn)來識別不良的相互依賴關(guān)系，并協(xié)調(diào)不同能源載體和終端使用行業(yè)之間的協(xié)同作用，這阻礙了政策協(xié)調(diào)，限制了SC所能提供的系統(tǒng)效益。
為了解決這些挑戰(zhàn)，本文旨在通過將碎片化的觀點整合成一個連貫且廣泛適用的分析框架來推進SC的概念發(fā)展，該框架基于兩個支柱：(a) “行業(yè)耦合”和“行業(yè)”的一致定義；(b) SC互聯(lián)互通方式的全面分類。為此，本文追求三個目標(biāo)。
1.首先，它回顧并系統(tǒng)化了現(xiàn)有的SC定義，指出了關(guān)鍵的限制，如定義范圍模糊、內(nèi)部二分法以及適用范圍狹窄等問題。
2.其次，它提出了一個基于現(xiàn)實世界驅(qū)動機制的、連貫且價值中立的SC定義。
3.第三，它基于六種不同的耦合機制開發(fā)了一個全面的分類方案，從而將實踐中觀察到的各種SC應(yīng)用整合到一個結(jié)構(gòu)化的理論框架中。確定的SC互聯(lián)互通類別包括：載體耦合、終端使用行業(yè)耦合、載體轉(zhuǎn)換耦合、網(wǎng)絡(luò)耦合、市場耦合和政策耦合。
總之，我們的目標(biāo)是建立一個全面且一致的SC概念基礎(chǔ)，幫助研究人員和政策制定者提高模型的準(zhǔn)確性，并為政策設(shè)計提供依據(jù)。
現(xiàn)有行業(yè)耦合定義的分類
現(xiàn)有行業(yè)耦合定義的分類
為了構(gòu)建我們的概念框架，我們使用系統(tǒng)評價和元分析的優(yōu)選報告項目（PRISMA）方法[24]系統(tǒng)地研究了相關(guān)文獻，篩選出既基于SC又具有理論價值的研究。這一過程的詳細方法在附錄A1中提供。為了批判性地分析這些定義，我們引入了一個三維分類框架并應(yīng)用它
結(jié)構(gòu)維度：差距與解決方案
體現(xiàn)結(jié)構(gòu)維度的定義通過描述相互連接的行業(yè)和電網(wǎng)來捕捉系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。這些定義存在兩個重要的不一致之處。
走向一致的SC定義
基于對現(xiàn)有SC定義中結(jié)構(gòu)維度、功能維度和以電力為中心的維度的批判性分析，我們現(xiàn)在將提出的解決方案整合為一個一致的SC定義。具體來說，我們建議：(i) 用“載體/終端使用”術(shù)語取代過時的“供應(yīng)-需求”二分法；(ii) 避免在定義中使用規(guī)范性目標(biāo)；(iii) 提供一個輸入無關(guān)、方向中立、全面且概念具體的框架。
現(xiàn)有的分類方法
以往對SC類型的分類嘗試往往缺乏捕捉SC應(yīng)用全范圍所需的一致性和全面性。最簡單的分類方式是將SC分為直接電氣化和間接電氣化[17]、[23]。直接SC使用電力的原始形式，而間接SC則將其轉(zhuǎn)化為另一種載體，如熱能、氫能或液體燃料。Bloess等人[39]進一步擴展了這一基本區(qū)分
結(jié)論
盡管行業(yè)耦合在實踐應(yīng)用和政策關(guān)注度上都有所增加，但其理論概念化仍然不成熟且存在碎片化。文獻中的各種SC定義大致可以沿著結(jié)構(gòu)維度、功能維度和以電力為中心的維度進行分類。強調(diào)結(jié)構(gòu)維度的定義將SC定義為行業(yè)或基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)之間的互聯(lián)互通過程。然而，這些定義在行業(yè)范圍上存在很大差異
CRediT作者貢獻聲明
Nishant Tyagi：撰寫——初稿撰寫、審稿與編輯、可視化、驗證、方法論研究、概念化。Alexander Roth：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督、概念化。Anibal Sanjab：撰寫——審稿與編輯、監(jiān)督。Erik Delarue：撰寫——審稿與編輯、正式分析、監(jiān)督、項目管理。
寫作過程中生成式AI和AI輔助技術(shù)的聲明
在準(zhǔn)備這項工作時，作者使用了ChatGPT進行校對和語言編輯。所有由該工具生成的文本都經(jīng)過了作者的仔細審查、修改和批準(zhǔn)，作者對出版物的內(nèi)容負全責(zé)。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文所報告的工作。
致謝
這項工作得到了比利時FPS經(jīng)濟部的支持，該支持來自“市場設(shè)計創(chuàng)新以支持綜合比利時能源系統(tǒng)（REINVENT）”項目。
