《International Journal of Hydrogen Energy》：Hybrid superconducting energy pipelines: key cost thresholds and system implications for Italy
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本研究针对大规模能源传输的瓶颈问题，聚焦一种可同时输送电力和液氢的混合超导能源管道（SCEP）技术。研究人员通过构建意大利多区域能源系统优化模型，评估了SCEP相较于传统输电线路的成本竞争力。结果表明，当SCEP的资本成本低于约610 M�/km/MW时，其在特定情境下具有成本效益。该技术的应用可促进可再生能源富集区的集中制氢，例如使撒丁岛2050年的电解制氢产量提升约10倍。这项研究为创新型能源传输技术在特定经济和政策条件下的部署提供了关键阈值和系统影响见解。
随着全球能源系统加速向低碳化转型，电力和氢能作为关键的二次能源载体，其高效、大规模的输送成为实现碳中和目标的瓶颈之一。传统的电力传输方式存在线路损耗较大、占用走廊资源等问题，而氢能的规模化输送同样面临成本高、效率挑战等难题。特别是在意大利这类可再生能源资源分布与能源负荷中心不匹配的国家，南部地区太阳能和风能资源丰富，而主要的能源消费却集中在北部工业区，这种空间上的失衡对远距离、大容量的能源输送基础设施提出了迫切需求。能否找到一种颠覆性的技术方案，同步解决电力和氢能的长距离输送问题，同时大幅降低传输过程中的能量损失，成为能源领域一个前沿而富有挑战性的课题。
正是在此背景下，超导技术因其理论上近乎零电阻的输电能力而重新进入研究者的视野。然而，超导材料需要极低温环境才能工作，这本身带来了巨大的能耗和成本。有趣的是，液氢的沸点低至-253摄氏度，恰好可以为高温超导材料提供理想的冷却环境。这一巧合催生了一个大胆的构想：能否将电力传输和液氢输送合二为一，构建一条混合超导能源管道？让液氢在管道中流动的同时，也为包裹在其中的超导电缆提供冷却，从而实现电能和氢能的高效协同传输。这个概念虽然早在二十一世纪初就被提出，但其真正的技术可行性和经济竞争力一直缺乏在真实国家能源系统尺度上的严格评估。为了填补这一空白，发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上的这项研究，首次将混合超导能源管道技术整合到一个详细的能源系统优化模型中，以意大利为案例，深入探究了这项技术得以推广应用的关键成本门槛及其对整个能源系统的深远影响。
为了回答上述问题，研究团队开展了一项基于情景分析的能源系统建模研究。他们首先开发了一个名为TEMOA-Italy的多区域能源系统优化模型实例，将意大利划分为20个行政区域，并定义了区域间的能源传输线路。该模型的目标是在满足未来电力、氢能需求及二氧化碳排放约束的前提下，以整个系统成本最低为优化目标，选择最佳的发电、储能及传输技术组合。研究涵盖了从2025年到2050年的时间范围，并以5年为一个时间步长进行优化计算。
研究采用了多种关键技术方法。核心是构建了一个包含现有及新建技术的数据库，特别是对混合超导能源管道进行了详细的参数化，包括其投资成本、运行维护成本、效率（计及输电损耗和氢液化能耗）等。模型采用了较高的时间分辨率，将一年划分为4个季节，每个季节用1个代表日（24小时）来模拟，全年共96个时间切片，以更好地捕捉可再生能源发电的波动性。此外，研究还设定了多种情景，包括不同的碳排放目标、可再生能源最大开发潜力、氢能生产方式（如限制生物质制氢比例）以及传统输电线路成本的变化等，通过敏感性分析来检验混合超导能源管道在不同条件下的竞争力。
研究结果揭示了混合超导能源管道在意大利未来能源系统中的潜在角色和成本门槛。
2.1. 电力与氢能传输基础设施的演化：模型结果显示，在严格的减排目标下，意大利输电网络需要显著扩容，特别是从可再生能源丰富的南部（如撒丁岛、西西里岛、普利亚）向负荷中心（如伦巴第、艾米利亚-罗马涅）的输电通道。当传统输电线路成本假设为基准情况时，混合超导能源管道要在2050年的能源系统中变得有成本竞争力，其投资成本需要降至约610 M�/km/MW（约为基准估算成本的30%）。如果传统输电成本上升50%或100%，则混合超导能源管道竞争力的成本门槛可相应放宽至约1020 M�/km/MW或1430 M�/km/MW。
2.2. 对能源生产模式的影响：研究发现，混合超导能源管道的部署会显著影响氢气的生产布局。在允许部署混合超导能源管道的情景下，模型倾向于在可再生能源丰富的地区（如撒丁岛）集中建设大规模电解水制氢设施，然后通过管道将液氢连同电力一起输送至需求中心。例如，在撒丁岛，2050年的电解制氢产能相比不采用混合超导能源管道的情景增加了约10倍。这表明混合超导能源管道能够促进能源生产的集中化和规模化，利用资源禀赋优势。
2.3. 技术配置与系统整合：分析所基于的混合超导能源管道设计参数为：输电能力300 MW，同时输送液氢（质量流量2 kg/s，相当于240 MW的氢能）。该设计利用液氢冷却高温超导带材，实现了能源的双重输送。模型的优化结果表明，这种混合输送方式在特定条件下可以比单独建设电网和氢管网更经济，尤其是在需要同时进行大容量、远距离电力和氢能传输的走廊上。
本研究通过严谨的模型分析得出结论：混合超导能源管道这项前瞻性技术，在意大利未来的深度脱碳能源系统中具备一定的应用潜力，但其经济可行性强烈依赖于其自身成本的下降以及传统输电技术成本的相对变化。当达到特定的成本阈值时，混合超导能源管道可以成为一种成本有效的输电替代方案，并会引导能源系统走向更集中的、基于可再生能源的氢经济模式，即在资源优质地区集中生产氢能，然后通过混合管道进行高效输送。这项研究的意义在于，它首次在一个国家尺度的、高度细化的能源系统模型框架内，量化评估了混合超导能源管道的竞争力条件，为未来能源基础设施的规划和技术创新方向提供了重要的决策参考。尽管该技术目前仍处于研发早期，面临成本高、技术成熟度低等挑战，但本研究清晰地指出了其可能发挥关键作用的路径和条件，为后续的研发示范和政策制定提供了科学依据。
