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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。氫能作為綠色能源，它在能源系統(tǒng)的靈活應(yīng)用成為國內(nèi)外提高可再生能源消納比例，控制碳排放的發(fā)展重點。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，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。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)激勵和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為雙重手段，應(yīng)對碳排放挑戰(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。在包括儲液式碳捕集、電轉(zhuǎn)氣、氣網(wǎng)混氫設(shè)備及低碳獎賞的碳交易機(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)合市場作用進(jìn)一步提升系統(tǒng)低碳運(yùn)行能力。考慮摻氫安全和氣網(wǎng)熱值等約束進(jìn)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(zhuǎn)氣、氣網(wǎng)混氫技術(shù)的高效性。此外，通過調(diào)節(jié)獎勵系數(shù)、調(diào)節(jié)碳交易基礎(chǔ)價格的測試，驗證了上述系數(shù)變化對碳排放水平和總成本的影響。當(dāng)獎勵系數(shù)從0逐漸增加時，碳排放水平在獎勵系數(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(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，而針對可逆固體氧化物技術(shù)的研究僅簡單選取其作為系統(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(biāo)，對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，對氫氣價格、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。氫氣價格和可逆固體氧化物成本對風(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(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)測研究
在氫需求量預(yù)測方面，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)動力學(xué)的氫需求量中長期預(yù)測》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，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(fù)荷預(yù)測對于能源系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計具有重要意義。在此背景下，《基于系統(tǒng)動力學(xué)的氫需求量中長期預(yù)測》基于系統(tǒng)動力學(xué)方法建立了省級氫需求中長期預(yù)測模型。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)行對比，結(jié)果表明模型誤差較小，適用于該省氫需求預(yù)測；最后，利用所建立的系統(tǒng)動力學(xué)模型對該省的氫需求量進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)計甘肅省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2025年城市供熱需氫68924t，2030年達(dá)121284t。
3. 氫儲能容量優(yōu)化配置
本專欄刊出國網(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)貓群算法的氫儲能容量優(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)貓群算法的氫儲能容量優(yōu)化配置》以氫儲能系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電和氫儲能系統(tǒng)為主的混合微電網(wǎng)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(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個指標(biāo)，構(gòu)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(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，確定了氫儲能系統(tǒng)的最優(yōu)容量配置方案。其次，提出了動態(tài)權(quán)重的改進(jìn)貓群算法，對氫儲能系統(tǒng)的容量優(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
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)計者的廣泛關(guān)注[5-7]。氫負(fù)荷預(yù)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(yùn)行的既有模式，具有重要意義。目前國內(nèi)外學(xué)者已在氫負(fù)荷預(yù)測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]基于相對經(jīng)濟(jì)理論與系統(tǒng)動力學(xué)，提出包含國內(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)測了不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度背景下中國各產(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)測依據(jù)，計算該地區(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)用場景劃分，再分別討論各場景下影響預(yù)測的主要因素，能降低預(yù)測難度。華北電力大學(xué)的彭生江團(tuán)隊[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種氫能需求場景。負(fù)荷預(yù)測模型主要有非線性智能模型、統(tǒng)計分析模型和灰色預(yù)測模型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[11-13]，數(shù)據(jù)依賴性強(qiáng)；統(tǒng)計分析/多元線性/非線性回歸/灰色預(yù)測模型常用于中長期負(fù)荷預(yù)測[14-16]。目前，氫負(fù)荷預(yù)測相關(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，在現(xiàn)有能源系統(tǒng)背景下建立預(yù)測模型，忽略了能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)改變對氫負(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(fù)荷預(yù)測框架及中長期預(yù)測方法，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，同時氫能是一種清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的二次能源，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對發(fā)電廠的電氫能源存儲進(jìn)行建模，在滿足當(dāng)?shù)毓步煌ê碗娏ιa(chǎn)的同時實現(xiàn)了碳排放量的顯著降低。謝菲爾德大學(xué)的Timothy Hutty[20]針對基于RSOC建立的電氫網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計動態(tài)編程優(yōu)化電氫調(diào)度，進(jìn)而降低電網(wǎng)的投資成本，驗證了RSOC在電氫網(wǎng)絡(luò)調(diào)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(jīng)濟(jì)性，東南大學(xué)的高賜威教授團(tuán)隊[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服務(wù)于電動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，實現(xiàn)電氫雙向互動。電氫一體化能源站主要由RSOC、充電設(shè)施、加氫機(jī)以及儲氫庫構(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(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時產(chǎn)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(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)。在成熟的電力市場還可進(jìn)行電價套利，提升經(jīng)濟(jì)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(diào)度運(yùn)營的研究大多獨立，考慮到RSOC對電氫互轉(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)，實現(xiàn)高滲透率的同時，優(yōu)化系統(tǒng)的規(guī)劃成本和運(yùn)營成本。同時，考慮到實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的長周期性，電氫負(fù)荷在系統(tǒng)全生命周期運(yùn)營過程中的增長對系統(tǒng)規(guī)劃-運(yùn)營的影響應(yīng)當(dāng)?shù)玫接懻摗ＨA中科技大學(xué)的李遠(yuǎn)征團(tuán)隊[22]以微電網(wǎng)為研究對象，設(shè)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(wǎng)全生命周期規(guī)劃-運(yùn)營優(yōu)化模型及其求解算法。結(jié)果表明，考慮負(fù)荷增長、季節(jié)變化以及各種極端場景的影響，RSOC均能促進(jìn)實現(xiàn)新能源的柔性調(diào)度，對微電網(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RSOC以及儲氫罐的容量規(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，因此對其容量規(guī)劃應(yīng)保持理性。
顯然，集成RSOC和儲氫庫的規(guī)劃-運(yùn)營可以作為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的有效手段。要實現(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)：提升氫儲運(yùn)容器的密封性、耐久性，同時建立高標(biāo)準(zhǔn)的氫安全監(jiān)測及預(yù)警機(jī)制。針對電氫能源站規(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；而針對電氫耦合系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的規(guī)劃運(yùn)營，考慮到高比例新能源對電力系統(tǒng)容量規(guī)劃和調(diào)度運(yùn)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(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。
