中國儲能網訊：
1. 含氫耦合系統(tǒng)規(guī)劃與運行方面
在含氫耦合系統(tǒng)規(guī)劃與運行等研究方面，本專欄刊出國網四川省電力公司經濟技術研究院楊宇玄等發(fā)表的《考慮碳捕集和氣網混氫的氣電耦合系統(tǒng)低碳經濟調度》、國網上海市電力公司竇真蘭等發(fā)表的《基于可逆固體氧化物電池的風光氫綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃》2篇文章，主要內容如下。
1）雙碳目標背景下，多能源系統(tǒng)耦合運行，提升可再生能源占比是能源系統(tǒng)減碳的必然趨勢。氫能作為綠色能源，它在能源系統(tǒng)的靈活應用成為國內外提高可再生能源消納比例，控制碳排放的發(fā)展重點。其中電制氫和氣網混氫作為高效轉化能源技術，在綜合能源系統(tǒng)減碳方面得到廣泛應用。同時，在綜合能源系統(tǒng)基礎上，采用新型減碳技術、聯(lián)合碳捕集等新裝置，引入碳減排機制也是當前的研究重點。因此，《考慮碳捕集和氣網混氫的氣電耦合系統(tǒng)低碳經濟調度》以經濟激勵和系統(tǒng)結構優(yōu)化為雙重手段，應對碳排放挑戰(zhàn)，聚焦于電制氫與氣網混氫技術的聯(lián)合應用，以提升能源轉化效率，推進系統(tǒng)經濟性與低碳性。在包括儲液式碳捕集、電轉氣、氣網混氫設備及低碳獎賞的碳交易機制基礎上，構建了一套氣電耦合系統(tǒng)低碳調度模型。該模型優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)低碳經濟調度研究中新技術應用單一的問題，并結合市場作用進一步提升系統(tǒng)低碳運行能力。考慮摻氫安全和氣網熱值等約束進行建模，通過算例對比驗證了儲液式碳捕集的靈活性以及電轉氣、氣網混氫技術的高效性。此外，通過調節(jié)獎勵系數、調節(jié)碳交易基礎價格的測試，驗證了上述系數變化對碳排放水平和總成本的影響。當獎勵系數從0逐漸增加時，碳排放水平在獎勵系數為0.43和1.12處呈現階梯型下降、總成本下降。當碳交易基礎價格從0元/t逐漸增加至44元/t時，碳排放水平減小至穩(wěn)定值后不再降低。
2）風光氫綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃與運行研究近年來受到廣泛關注，常用的氫電轉化技術包括堿性電解水制氫技術、質子交換膜技術和可逆固體氧化物技術。目前，關于堿性電解水制氫技術、質子交換膜技術的研究已經非常成熟，而針對可逆固體氧化物技術的研究僅簡單選取其作為系統(tǒng)氫電轉換設備，沒有考慮其運行特性對系統(tǒng)容量規(guī)劃的影響。因此，《基于可逆固體氧化物電池的風光氫綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃》在平抑風電、光伏以及風光互補功率波動的前提下，考慮環(huán)境效益和投資時間價值，以年投資成本、棄電缺電量最小化為目標，對基于可逆固體氧化物技術的風光氫綜合能源系統(tǒng)開展容量規(guī)劃研究，采用粒子群優(yōu)化算法求解各設備最優(yōu)的配置規(guī)模。同時，對氫氣價格、可逆固體氧化物成本等不確定因素進行靈敏度分析。優(yōu)化結果表明，該方法能夠獲得合理的容量配置方案，提升系統(tǒng)源荷調節(jié)的靈活性。氫氣價格和可逆固體氧化物成本對風光氫綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃具有顯著的影響。當氫氣價格低于30元/kg、可逆固體氧化物成本小于2萬元/kW時，有利于系統(tǒng)在較小的風光裝機規(guī)模下獲得靈活的源荷調節(jié)能力。
2. 氫需求量預測研究
在氫需求量預測方面，本專欄刊出大連理工大學袁鐵江等發(fā)表的《基于系統(tǒng)動力學的氫需求量中長期預測》1篇文章，主要內容如下。
“雙碳”目標極大地改變了能源消費行業(yè)的發(fā)展，氫能清潔高效、存儲模式豐富，其消費潛力將不斷提高，在綜合能源系統(tǒng)中將發(fā)揮重大作用。氫需求預測是合理規(guī)劃含氫能源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，但目前相關研究主要集中在氫燃料汽車用氫需求的短期預測，很少考慮政策、經濟發(fā)展等外部因素的影響。氫能作為清潔、高效、存儲形式靈活的能源，將在未來新一代綜合能源系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用，中長期氫負荷預測對于能源系統(tǒng)的規(guī)劃和設計具有重要意義。在此背景下，《基于系統(tǒng)動力學的氫需求量中長期預測》基于系統(tǒng)動力學方法建立了省級氫需求中長期預測模型。首先，將氫能需求分為工業(yè)、供熱和交通3大領域，考慮各子系統(tǒng)內部因素的相互作用以及經濟發(fā)展、政策支持等外部因素的影響，分析因果關系，構建系統(tǒng)預測方程；其次，設定系統(tǒng)參數，采用最小二乘法方程回歸得到方程常數，基于甘肅省發(fā)展規(guī)劃利用灰色模型設定表函數參數，并將模擬結果與歷史數據進行對比，結果表明模型誤差較小，適用于該省氫需求預測；最后，利用所建立的系統(tǒng)動力學模型對該省的氫需求量進行了預測。預計甘肅省2025年工業(yè)需氫202640t，2030年達到222088t；交通子系統(tǒng)作為新興用氫產業(yè)，預計2025年需氫97411t，2030年達141629t；城市供熱子系統(tǒng)氫需求量隨著摻氫比的增加而提高，預計2025年城市供熱需氫68924t，2030年達121284t。
3. 氫儲能容量優(yōu)化配置
本專欄刊出國網福建省電力有限公司經濟技術研究院胡臻達等發(fā)表的《基于改進貓群算法的氫儲能容量優(yōu)化配置》1篇文章，主要內容如下。
電力系統(tǒng)以可再生能源制氫為主要特征，以儲能為輔助的聯(lián)合能源系統(tǒng)是未來能源系統(tǒng)發(fā)展建設的重要方向。其中，風-氫混合系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中一種重要的電網結構形式?！痘诟倪M貓群算法的氫儲能容量優(yōu)化配置》以氫儲能系統(tǒng)為基礎，構建了風力發(fā)電和氫儲能系統(tǒng)為主的混合微電網系統(tǒng)，并對氫儲能系統(tǒng)中的電解槽、燃料電池和儲氫罐的容量進行了優(yōu)化配置。首先，綜合考慮微電網的經濟成本、供電可靠性和棄風率3個指標，構建了氫儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置模型。在算例中，通過選取不同的權重系數，在分別側重經濟性、棄風率和缺電率的目標函數中，確定了氫儲能系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置方案。其次，提出了動態(tài)權重的改進貓群算法，對氫儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化模型進行求解，從求解結果可以看出，相比于貓群算法和粒子群算法，采用動態(tài)權重的改進貓群算法具有一定的優(yōu)越性。
三、相關研究延伸
1. 氫負荷預測
氫本質清潔、存在形式多樣、轉化靈活，被認為是未來能源的終極形式之一[1-4]，構建以氫為媒介打通可再生能源與其他能源領域形成新一代能源系統(tǒng)已引起能源政策制定者和系統(tǒng)設計者的廣泛關注[5-7]。氫負荷預測對于探索并建立適用于新一代能源規(guī)劃體系，打破原有能源系統(tǒng)單獨規(guī)劃和獨立運行的既有模式，具有重要意義。目前國內外學者已在氫負荷預測等方面開展了部分研究工作。哈爾濱工業(yè)大學的馬濤[8]基于相對經濟理論與系統(tǒng)動力學，提出包含國內生產總值、能源消費強度與氫能發(fā)展水平變量的氫需求量函數式，預測了不同經濟發(fā)展速度背景下中國各產業(yè)的氫需求量。瓦爾拉格大學的Soumia Rahmouni[9]提出包含居住人口、人均汽車擁有量、氫燃料汽車滲透率與氫汽車年平均里程等變量的函數式作為預測依據，計算該地區(qū)交通領域氫氣年需求量。研究表明能源需求預測受多重因素影響，且各影響因素具有相關性，按其應用場景劃分，再分別討論各場景下影響預測的主要因素，能降低預測難度。華北電力大學的彭生江團隊[10]按制氫送端到用氫受端的物理距離劃分為遠距離、中距離和短距離3種氫能需求場景。負荷預測模型主要有非線性智能模型、統(tǒng)計分析模型和灰色預測模型3類，其中，非線性智能模型主要采用神經網絡與支持向量機等方法預測[11-13]，數據依賴性強；統(tǒng)計分析/多元線性/非線性回歸/灰色預測模型常用于中長期負荷預測[14-16]。目前，氫負荷預測相關研究側重于根據經濟發(fā)展等指標估算負荷側氫能需求量，未考慮氫能來源的清潔性；同時，在現有能源系統(tǒng)背景下建立預測模型，忽略了能源系統(tǒng)結構形態(tài)改變對氫負荷變化規(guī)律的影響。為化解可再生能源發(fā)展瓶頸與化石能源清潔高效利用的矛盾，大連理工大學的袁鐵江團隊最近提出了新能源電制-儲氫耦合碳一化工循環(huán)的統(tǒng)一能源系統(tǒng)及氫負荷預測框架及中長期預測方法，從負荷側宏觀的討論了統(tǒng)一能源系統(tǒng)的節(jié)能減排潛力，為未來能源系統(tǒng)規(guī)劃提供了方向和依據。在未來的工作中可進一步探究統(tǒng)一能源系統(tǒng)源–網–荷的統(tǒng)一規(guī)劃理論、各應用場景間相互影響關系以及統(tǒng)一能源系統(tǒng)運行的商業(yè)模式。
2. 基于可逆固體氧化物電池的電氫耦合系統(tǒng)
電轉氣技術可以將電能轉化為氫氣或甲烷，提高了系統(tǒng)的靈活性，是解決新能源消納問題的重要手段。電轉氫(power to hydrogen，P2H)相比于電轉甲烷能量轉化過程少、效率高，同時氫能是一種清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源，可以廣泛應用于交通運輸、工業(yè)和建筑等領域，更能促進能源系統(tǒng)大規(guī)模深度脫碳[17]。電解水制氫技術主要包括可逆固體氧化物電池(reversible solid oxide battery，RSOC)電解制氫、堿性電解(alkaline water electrolysis，AWE)制氫以及質子交換膜電解(proton exchange membrane electrolysis，PEME)制氫[18]。AWE和PEME屬于低溫電解技術，是單向的P2H裝置。這兩種技術限制了能源的流向，不足以充分利用電氫能源的互補特性實現系統(tǒng)效率的有效提升。
可逆固體氧化物電池運行于電解模式的電制氫屬于高溫電解技術。它是一種雙向的P2H裝置，可在固體氧化物電解池和固體氧化物燃料電池2種模式之間進行靈活可逆操作，具有廣闊的發(fā)展空間,引起了不少學者的關注[19-22]。都靈理工大學的Giulio Buffo[19]基于RSOC對發(fā)電廠的電氫能源存儲進行建模，在滿足當地公共交通和電力生產的同時實現了碳排放量的顯著降低。謝菲爾德大學的Timothy Hutty[20]針對基于RSOC建立的電氫網絡，設計動態(tài)編程優(yōu)化電氫調度，進而降低電網的投資成本，驗證了RSOC在電氫網絡調度中的實用性。
一方面，考慮到加氫站和充電站分別單獨規(guī)劃會造成多余的土地資源占用以及通過電氫能源互動提升能源系統(tǒng)的靈活性、經濟性，東南大學的高賜威教授團隊[21]基于可逆固體氧化物電池的電氫一體化能源站設想，證明了RSOC在提高風光消納方面的優(yōu)越性。電氫一體化能源站可以同時服務于電動汽車充換電和燃料電池汽車加氫，即依托現有的充電站，配備可逆固體氧化物電池，實現電氫雙向互動。電氫一體化能源站主要由RSOC、充電設施、加氫機以及儲氫庫構成，由于RSOC的高效性、可逆性，它是一種擁有靈活商業(yè)模式的分布式能源站，其商業(yè)模式主要如下：面向交通網作為電動汽車–氫燃料汽車的能量供應商：這是電氫一體化能源站最基本的商業(yè)模式，其不僅向電動汽車提供充換電服務，也為氫燃料汽車提供加氫服務。電動汽車的充電行為和氫燃料汽車的加氫行為均具有一定的不確定性，RSOC運行的靈活性為應對這種不確定性提供了可能。在電動汽車充電高峰期，RSOC可通過固體氧化物燃料電池將儲存的氫轉換為電能；在氫燃料汽車加氫高峰期，RSOC可通過“固體氧化物電解池實時產氫+儲氫罐供氫”的方式滿足氫能需求。面向高比例可再生能源電網參與系統(tǒng)需求響應：在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中，為應對可再生能源發(fā)電的不確定性，電氫能源站可以通過RSOC參與電力系統(tǒng)需求響應。在成熟的電力市場還可進行電價套利，提升經濟效益。
另一方面，目前針對高比例新能源電力系統(tǒng)中容量規(guī)劃和調度運營的研究大多獨立，考慮到RSOC對電氫互轉的幫助，有必要構建以電氫負荷為主要需求的基于RSOC的高比例新能源電氫耦合系統(tǒng)，實現高滲透率的同時，優(yōu)化系統(tǒng)的規(guī)劃成本和運營成本。同時，考慮到實現雙碳目標的長周期性，電氫負荷在系統(tǒng)全生命周期運營過程中的增長對系統(tǒng)規(guī)劃-運營的影響應當得到討論。華中科技大學的李遠征團隊[22]以微電網為研究對象，設計了基于可逆固體氧化物電池的考慮源荷不確定性的電氫耦合微電網全生命周期規(guī)劃-運營優(yōu)化模型及其求解算法。結果表明，考慮負荷增長、季節(jié)變化以及各種極端場景的影響，RSOC均能促進實現新能源的柔性調度，對微電網內部供需規(guī)模的各種變化都有較好的自適應及調解能力。一方面始終保持新能源的高比例滲透率，一方面穩(wěn)定了電氫耦合微電網的電氫供應平衡。雖然針對RSOC以及儲氫罐的容量規(guī)劃，其擴容可增強RSOC兩種工作模式的轉換頻率，強力促進新能源的消納量，但仍然受到風光產電設備容量的約束，因此對其容量規(guī)劃應保持理性。
顯然，集成RSOC和儲氫庫的規(guī)劃-運營可以作為實現雙碳目標的有效手段。要實現基于RSOC的電氫能源系統(tǒng)建設，未來需要解決以下關鍵技術：1）RSOC壽命短、擴展難、成本高的問題待攻克：研發(fā)具有高催化性能且穩(wěn)定的陰陽極材料，提升電池密封和連接技術；2）氫能應用安全性技術：提升氫儲運容器的密封性、耐久性，同時建立高標準的氫安全監(jiān)測及預警機制。針對電氫能源站規(guī)劃，未來還可以從安全性、網絡阻塞等角度作進一步的探討與研究；而針對電氫耦合系統(tǒng)全生命周期內的規(guī)劃運營，考慮到高比例新能源對電力系統(tǒng)容量規(guī)劃和調度運營帶來的巨大挑戰(zhàn)以及電氫能源需求量的持續(xù)增長對電力系統(tǒng)的影響，還可以從降低各設備尤其是RSOC成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進一步展開工作。
