中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
1. 含氫耦合系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行方面
在含氫耦合系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行等研究方面，本專欄刊出國(guó)網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院楊宇玄等發(fā)表的《考慮碳捕集和氣網(wǎng)混氫的氣電耦合系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度》、國(guó)網(wǎng)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(fēng)光氫綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃》2篇文章，主要內(nèi)容如下。
1）雙碳目標(biāo)背景下，多能源系統(tǒng)耦合運(yùn)行，提升可再生能源占比是能源系統(tǒng)減碳的必然趨勢(shì)。氫能作為綠色能源，它在能源系統(tǒng)的靈活應(yīng)用成為國(guó)內(nèi)外提高可再生能源消納比例，控制碳排放的發(fā)展重點(diǎn)。其中電制氫和氣網(wǎng)混氫作為高效轉(zhuǎn)化能源技術(shù)，在綜合能源系統(tǒng)減碳方面得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，在綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用新型減碳技術(shù)、聯(lián)合碳捕集等新裝置，引入碳減排機(jī)制也是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。因此，《考慮碳捕集和氣網(wǎng)混氫的氣電耦合系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度》以經(jīng)濟(jì)激勵(lì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為雙重手段，應(yīng)對(duì)碳排放挑戰(zhàn)，聚焦于電制氫與氣網(wǎng)混氫技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，以提升能源轉(zhuǎn)化效率，推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與低碳性。在包括儲(chǔ)液式碳捕集、電轉(zhuǎn)氣、氣網(wǎng)混氫設(shè)備及低碳獎(jiǎng)賞的碳交易機(jī)制基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一套氣電耦合系統(tǒng)低碳調(diào)度模型。該模型優(yōu)化了傳統(tǒng)系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究中新技術(shù)應(yīng)用單一的問題，并結(jié)合市場(chǎng)作用進(jìn)一步提升系統(tǒng)低碳運(yùn)行能力?？紤]摻氫安全和氣網(wǎng)熱值等約束進(jìn)行建模，通過算例對(duì)比驗(yàn)證了儲(chǔ)液式碳捕集的靈活性以及電轉(zhuǎn)氣、氣網(wǎng)混氫技術(shù)的高效性。此外，通過調(diào)節(jié)獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)、調(diào)節(jié)碳交易基礎(chǔ)價(jià)格的測(cè)試，驗(yàn)證了上述系數(shù)變化對(duì)碳排放水平和總成本的影響。當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)從0逐漸增加時(shí)，碳排放水平在獎(jiǎng)勵(lì)系數(shù)為0.43和1.12處呈現(xiàn)階梯型下降、總成本下降。當(dāng)碳交易基礎(chǔ)價(jià)格從0元/t逐漸增加至44元/t時(shí)，碳排放水平減小至穩(wěn)定值后不再降低。
2）風(fēng)光氫綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行研究近年來受到廣泛關(guān)注，常用的氫電轉(zhuǎn)化技術(shù)包括堿性電解水制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜技術(shù)和可逆固體氧化物技術(shù)。目前，關(guān)于堿性電解水制氫技術(shù)、質(zhì)子交換膜技術(shù)的研究已經(jīng)非常成熟，而針對(duì)可逆固體氧化物技術(shù)的研究?jī)H簡(jiǎn)單選取其作為系統(tǒng)氫電轉(zhuǎn)換設(shè)備，沒有考慮其運(yùn)行特性對(duì)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(fēng)光氫綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃》在平抑風(fēng)電、光伏以及風(fēng)光互補(bǔ)功率波動(dòng)的前提下，考慮環(huán)境效益和投資時(shí)間價(jià)值，以年投資成本、棄電缺電量最小化為目標(biāo)，對(duì)基于可逆固體氧化物技術(shù)的風(fēng)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(shè)備最優(yōu)的配置規(guī)模。同時(shí)，對(duì)氫氣價(jià)格、可逆固體氧化物成本等不確定因素進(jìn)行靈敏度分析。優(yōu)化結(jié)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(diào)節(jié)的靈活性。氫氣價(jià)格和可逆固體氧化物成本對(duì)風(fēng)光氫綜合能源系統(tǒng)容量規(guī)劃具有顯著的影響。當(dāng)氫氣價(jià)格低于30元/kg、可逆固體氧化物成本小于2萬元/kW時(shí)，有利于系統(tǒng)在較小的風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模下獲得靈活的源荷調(diào)節(jié)能力。
2. 氫需求量預(yù)測(cè)研究
在氫需求量預(yù)測(cè)方面，本專欄刊出大連理工大學(xué)袁鐵江等發(fā)表的《基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的氫需求量中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)》1篇文章，主要內(nèi)容如下。
“雙碳”目標(biāo)極大地改變了能源消費(fèi)行業(yè)的發(fā)展，氫能清潔高效、存儲(chǔ)模式豐富，其消費(fèi)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(yù)測(cè)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(guān)研究主要集中在氫燃料汽車用氫需求的短期預(yù)測(cè)，很少考慮政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等外部因素的影響。氫能作為清潔、高效、存儲(chǔ)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(zhǎng)期氫負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)于能源系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)具有重要意義。在此背景下，《基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的氫需求量中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)》基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立了省級(jí)氫需求中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)模型。首先，將氫能需求分為工業(yè)、供熱和交通3大領(lǐng)域，考慮各子系統(tǒng)內(nèi)部因素的相互作用以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展、政策支持等外部因素的影響，分析因果關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)預(yù)測(cè)方程；其次，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，采用最小二乘法方程回歸得到方程常數(shù)，基于甘肅省發(fā)展規(guī)劃利用灰色模型設(shè)定表函數(shù)參數(shù)，并將模擬結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明模型誤差較小，適用于該省氫需求預(yù)測(cè)；最后，利用所建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)該省的氫需求量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)計(jì)甘肅省2025年工業(yè)需氫202640t，2030年達(dá)到222088t；交通子系統(tǒng)作為新興用氫產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)2025年需氫97411t，2030年達(dá)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(yù)計(jì)2025年城市供熱需氫68924t，2030年達(dá)121284t。
3. 氫儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置
本專欄刊出國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院胡臻達(dá)等發(fā)表的《基于改進(jìn)貓群算法的氫儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置》1篇文章，主要內(nèi)容如下。
電力系統(tǒng)以可再生能源制氫為主要特征，以儲(chǔ)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(shè)的重要方向。其中，風(fēng)-氫混合系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中一種重要的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式?！痘诟倪M(jìn)貓群算法的氫儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置》以氫儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)為主的混合微電網(wǎng)系統(tǒng)，并對(duì)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電解槽、燃料電池和儲(chǔ)氫罐的容量進(jìn)行了優(yōu)化配置。首先，綜合考慮微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)成本、供電可靠性和棄風(fēng)率3個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置模型。在算例中，通過選取不同的權(quán)重系數(shù)，在分別側(cè)重經(jīng)濟(jì)性、棄風(fēng)率和缺電率的目標(biāo)函數(shù)中，確定了氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置方案。其次，提出了動(dòng)態(tài)權(quán)重的改進(jìn)貓群算法，對(duì)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化模型進(jìn)行求解，從求解結(jié)果可以看出，相比于貓群算法和粒子群算法，采用動(dòng)態(tài)權(quán)重的改進(jìn)貓群算法具有一定的優(yōu)越性。
三、相關(guān)研究延伸
1. 氫負(fù)荷預(yù)測(cè)
氫本質(zhì)清潔、存在形式多樣、轉(zhuǎn)化靈活，被認(rèn)為是未來能源的終極形式之一[1-4]，構(gòu)建以氫為媒介打通可再生能源與其他能源領(lǐng)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(shè)計(jì)者的廣泛關(guān)注[5-7]。氫負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)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(dú)規(guī)劃和獨(dú)立運(yùn)行的既有模式，具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在氫負(fù)荷預(yù)測(cè)等方面開展了部分研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的馬濤[8]基于相對(duì)經(jīng)濟(jì)理論與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，提出包含國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、能源消費(fèi)強(qiáng)度與氫能發(fā)展水平變量的氫需求量函數(shù)式，預(yù)測(cè)了不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度背景下中國(guó)各產(chǎn)業(yè)的氫需求量。瓦爾拉格大學(xué)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(shù)式作為預(yù)測(cè)依據(jù)，計(jì)算該地區(qū)交通領(lǐng)域氫氣年需求量。研究表明能源需求預(yù)測(cè)受多重因素影響，且各影響因素具有相關(guān)性，按其應(yīng)用場(chǎng)景劃分，再分別討論各場(chǎng)景下影響預(yù)測(cè)的主要因素，能降低預(yù)測(cè)難度。華北電力大學(xué)的彭生江團(tuán)隊(duì)[10]按制氫送端到用氫受端的物理距離劃分為遠(yuǎn)距離、中距離和短距離3種氫能需求場(chǎng)景。負(fù)荷預(yù)測(cè)模型主要有非線性智能模型、統(tǒng)計(jì)分析模型和灰色預(yù)測(cè)模型3類，其中，非線性智能模型主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與支持向量機(jī)等方法預(yù)測(cè)[11-13]，數(shù)據(jù)依賴性強(qiáng)；統(tǒng)計(jì)分析/多元線性/非線性回歸/灰色預(yù)測(cè)模型常用于中長(zhǎng)期負(fù)荷預(yù)測(cè)[14-16]。目前，氫負(fù)荷預(yù)測(cè)相關(guān)研究側(cè)重于根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等指標(biāo)估算負(fù)荷側(cè)氫能需求量，未考慮氫能來源的清潔性；同時(shí)，在現(xiàn)有能源系統(tǒng)背景下建立預(yù)測(cè)模型，忽略了能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)改變對(duì)氫負(fù)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(xué)的袁鐵江團(tuán)隊(duì)最近提出了新能源電制-儲(chǔ)氫耦合碳一化工循環(huán)的統(tǒng)一能源系統(tǒng)及氫負(fù)荷預(yù)測(cè)框架及中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方法，從負(fù)荷側(cè)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(jù)。在未來的工作中可進(jìn)一步探究統(tǒng)一能源系統(tǒng)源–網(wǎng)–荷的統(tǒng)一規(guī)劃理論、各應(yīng)用場(chǎng)景間相互影響關(guān)系以及統(tǒng)一能源系統(tǒng)運(yùn)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(zhuǎn)氣技術(shù)可以將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)氫(power to hydrogen，P2H)相比于電轉(zhuǎn)甲烷能量轉(zhuǎn)化過程少、效率高，同時(shí)氫能是一種清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，可以廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域，更能促進(jìn)能源系統(tǒng)大規(guī)模深度脫碳[17]。電解水制氫技術(shù)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(zhì)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(shù)，是單向的P2H裝置。這兩種技術(shù)限制了能源的流向，不足以充分利用電氫能源的互補(bǔ)特性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的有效提升。
可逆固體氧化物電池運(yùn)行于電解模式的電制氫屬于高溫電解技術(shù)。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(jìn)行靈活可逆操作，具有廣闊的發(fā)展空間,引起了不少學(xué)者的關(guān)注[19-22]。都靈理工大學(xué)的Giulio Buffo[19]基于RSOC對(duì)發(fā)電廠的電氫能源存儲(chǔ)進(jìn)行建模，在滿足當(dāng)?shù)毓步煌ê碗娏ιa(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了碳排放量的顯著降低。謝菲爾德大學(xué)的Timothy Hutty[20]針對(duì)基于RSOC建立的電氫網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)編程優(yōu)化電氫調(diào)度，進(jìn)而降低電網(wǎng)的投資成本，驗(yàn)證了RSOC在電氫網(wǎng)絡(luò)調(diào)度中的實(shí)用性。
一方面，考慮到加氫站和充電站分別單獨(dú)規(guī)劃會(huì)造成多余的土地資源占用以及通過電氫能源互動(dòng)提升能源系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性，東南大學(xué)的高賜威教授團(tuán)隊(duì)[21]基于可逆固體氧化物電池的電氫一體化能源站設(shè)想，證明了RSOC在提高風(fēng)光消納方面的優(yōu)越性。電氫一體化能源站可以同時(shí)服務(wù)于電動(dòng)汽車充換電和燃料電池汽車加氫，即依托現(xiàn)有的充電站，配備可逆固體氧化物電池，實(shí)現(xiàn)電氫雙向互動(dòng)。電氫一體化能源站主要由RSOC、充電設(shè)施、加氫機(jī)以及儲(chǔ)氫庫(kù)構(gòu)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(wǎng)作為電動(dòng)汽車–氫燃料汽車的能量供應(yīng)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(dòng)汽車提供充換電服務(wù)，也為氫燃料汽車提供加氫服務(wù)。電動(dòng)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(yùn)行的靈活性為應(yīng)對(duì)這種不確定性提供了可能。在電動(dòng)汽車充電高峰期，RSOC可通過固體氧化物燃料電池將儲(chǔ)存的氫轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)產(chǎn)氫+儲(chǔ)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(wǎng)參與系統(tǒng)需求響應(yīng)：在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中，為應(yīng)對(duì)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(yīng)。在成熟的電力市場(chǎng)還可進(jìn)行電價(jià)套利，提升經(jīng)濟(jì)效益。
另一方面，目前針對(duì)高比例新能源電力系統(tǒng)中容量規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)營(yíng)的研究大多獨(dú)立，考慮到RSOC對(duì)電氫互轉(zhuǎn)的幫助，有必要構(gòu)建以電氫負(fù)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(shí)現(xiàn)高滲透率的同時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)的規(guī)劃成本和運(yùn)營(yíng)成本。同時(shí)，考慮到實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的長(zhǎng)周期性，電氫負(fù)荷在系統(tǒng)全生命周期運(yùn)營(yíng)過程中的增長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃-運(yùn)營(yíng)的影響應(yīng)當(dāng)?shù)玫接懻?。華中科技大學(xué)的李遠(yuǎn)征團(tuán)隊(duì)[22]以微電網(wǎng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)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(wǎng)全生命周期規(guī)劃-運(yùn)營(yíng)優(yōu)化模型及其求解算法。結(jié)果表明，考慮負(fù)荷增長(zhǎng)、季節(jié)變化以及各種極端場(chǎng)景的影響，RSOC均能促進(jìn)實(shí)現(xiàn)新能源的柔性調(diào)度，對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部供需規(guī)模的各種變化都有較好的自適應(yīng)及調(diào)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(wǎng)的電氫供應(yīng)平衡。雖然針對(duì)RSOC以及儲(chǔ)氫罐的容量規(guī)劃，其擴(kuò)容可增強(qiáng)RSOC兩種工作模式的轉(zhuǎn)換頻率，強(qiáng)力促進(jìn)新能源的消納量，但仍然受到風(fēng)光產(chǎn)電設(shè)備容量的約束，因此對(duì)其容量規(guī)劃應(yīng)保持理性。
顯然，集成RSOC和儲(chǔ)氫庫(kù)的規(guī)劃-運(yùn)營(yíng)可以作為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的有效手段。要實(shí)現(xiàn)基于RSOC的電氫能源系統(tǒng)建設(shè)，未來需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：1）RSOC壽命短、擴(kuò)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(shù)；2）氫能應(yīng)用安全性技術(shù)：提升氫儲(chǔ)運(yùn)容器的密封性、耐久性，同時(shí)建立高標(biāo)準(zhǔn)的氫安全監(jiān)測(cè)及預(yù)警機(jī)制。針對(duì)電氫能源站規(guī)劃，未來還可以從安全性、網(wǎng)絡(luò)阻塞等角度作進(jìn)一步的探討與研究；而針對(duì)電氫耦合系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的規(guī)劃運(yùn)營(yíng)，考慮到高比例新能源對(duì)電力系統(tǒng)容量規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)營(yíng)帶來的巨大挑戰(zhàn)以及電氫能源需求量的持續(xù)增長(zhǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，還可以從降低各設(shè)備尤其是RSOC成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進(jìn)一步展開工作。
