風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置

吳鋒棒

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

1 引言

近年來，氣候變化對人類的生存環(huán)境產(chǎn)生了極大的影響，能源短缺的問題也日益凸顯。推動風(fēng)能、太陽能等可再生能源的發(fā)展，從而減少二氧化碳等溫室氣體的排放，促進經(jīng)濟發(fā)展向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型，以實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，成為全球共識。在全球能源轉(zhuǎn)型的熱潮下，可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是目前應(yīng)用范圍最為廣泛，也是應(yīng)用技術(shù)最為成熟的清潔能源的開發(fā)和利用形式，但風(fēng)、光資源具有隨機性，因此，風(fēng)電和光伏的出力也有相應(yīng)的波動性，這就導(dǎo)致風(fēng)電和光伏的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，將對電網(wǎng)造成不同程度的沖擊，也間接導(dǎo)致了棄風(fēng)、棄光比例的升高。為使可再生能源應(yīng)用得到進一步發(fā)展，解決風(fēng)電和光伏無法平滑上網(wǎng)的問題是關(guān)鍵，目前公認最有效的解決方案是增加儲能環(huán)節(jié)。

抽水蓄能是目前最為成熟，應(yīng)用容量最大的儲能方案，但這種方法受地理因素和水源分布的影響較大，無法在所有地區(qū)進行推廣；電化學(xué)電池受到成本和技術(shù)成熟度的限制，也無法大范圍使用；飛輪儲能等方式因效率低下無法大規(guī)模應(yīng)用。氫儲能是一種近年來新興的電力系統(tǒng)儲能方式，氫能源具有清潔綠色、能量密度高、便于儲存和運輸?shù)葍?yōu)點，以氫能源為核心的儲能系統(tǒng)與傳統(tǒng)的化學(xué)儲能相比，存儲容量大、運行壽命長，是構(gòu)建風(fēng)光發(fā)電與電網(wǎng)間緩沖帶的不二選擇。風(fēng)電和光伏發(fā)出的電力經(jīng)過電解水制氫儲能，不僅可以將氫作為清潔和高能的燃料融入現(xiàn)有的燃氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)電力和燃氣的互補轉(zhuǎn)化，隨著燃料電池等高效清潔技術(shù)的發(fā)展，也可以供燃料電池汽車直接高效利用。

近年來，美國、英國和挪威等國已經(jīng)開始實施可再生能源與燃料電池相結(jié)合的綜合能源系統(tǒng)項目，如美國能源部與Xcel能源公司于2004年啟動的Wind2H2計劃和英國于2010年開始建設(shè)的Hydrogen Office示范工程。我國也從2014年開始，開發(fā)建設(shè)相關(guān)的示范工程并進行深入研究。

由風(fēng)電、光伏和氫儲能組成的綜合能源系統(tǒng)將是未來能源結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個重要方向，而其中各發(fā)電、儲能部分的容量配置是一個核心問題。本文深入分析了風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)中的風(fēng)光出力波動及平滑上網(wǎng)需求，以系統(tǒng)總成本為目標(biāo)，構(gòu)建了風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)的模型，并提出了相應(yīng)的容量配置優(yōu)化方法。

2 風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

本文以電力為核心能源構(gòu)建風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。包含風(fēng)電、光伏、電力電子設(shè)備(AC/DC、DC/AC)、電解水制氫裝置、燃料電池或氫能內(nèi)燃機、壓力儲氫設(shè)備、加氫站和氫能源汽車等。

圖1 基于AC母線的風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的電解水制氫的電解槽可分為堿式(分單極式和多極式兩類)、質(zhì)子交換膜式(Proton Exchange Membrane，PEM)和高溫固體氧化物式。其中，堿式電解槽的效率一般在75%到90%之間，質(zhì)子交換膜式和高溫固態(tài)氧化物式電解槽的效率一般在80%到90%之間。傳統(tǒng)的電解水制氫電解槽是在穩(wěn)定電能條件下，定氫生產(chǎn)率運行的，而風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)中發(fā)電安源具有隨機性和波動性，電解槽應(yīng)具有不穩(wěn)定電能條件下安全可靠制氫的能力，因此，目前風(fēng)電和光伏制氫系統(tǒng)普遍采用可在間歇波動性功大壓力和高電流密度、低電壓下穩(wěn)定運行的堿式或PEM電解槽。氫的存儲方式有壓縮氣態(tài)、低溫液態(tài)和固態(tài)三種，其中，壓縮氣態(tài)儲氫方式的能量損失相對較少且有較高的轉(zhuǎn)換效率，由于風(fēng)光發(fā)電制氫的時間較長，風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)中多采用壓縮儲氫方式。

在本文所研究的風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)運行過程中，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電、光伏上網(wǎng)和制氫功率比例，最大限度吸納風(fēng)電和光伏的波動電量。風(fēng)電和光伏發(fā)出的電功率，一部分以相對平滑的方式直接上網(wǎng)，另一部分波動電量用以電解水制氫，通過壓力儲氫設(shè)備進行存儲，在需要時通過氫燃料電池或內(nèi)燃機調(diào)節(jié)上網(wǎng)功率、電網(wǎng)頻率和電能質(zhì)量，或運送至加氫站，供氫能源汽車利用，如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)中的功率分配

3 風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)運行模型

風(fēng)力發(fā)電的理論出力模型為：

其中，Pwt,t是t時段風(fēng)力發(fā)電的輸出功率，Vwt是t時段風(fēng)電機組的運行風(fēng)速，Vin、Vout和Vrated分別是風(fēng)電機組的切入、切出風(fēng)速和額定風(fēng)速，Nwt為風(fēng)電機組數(shù)量，Pwt,N為單個風(fēng)電機組的額定功率。

光伏發(fā)電的理論出力模型為：

其中，Ppv,N為光伏發(fā)電設(shè)備的總額定容量，fpv為光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行效率，Gt為t時段光照強度，Gref為參考光照強度，α是溫度系數(shù)，Tt是t時段的溫度，Tref表示參考溫度。

以堿式電解槽為例建立電解水制氫模型，其中，電解槽的電壓方程為：

其中，Uc,t為t時刻的電池電壓，Uel,t是t時刻的電解槽電壓，Nel表示電池個數(shù)，Urev是可逆電壓，Iel,t表示t時段電解槽電流，Tel,t是電解槽的溫度，表示電池面積，Ac為電解液的電阻，s1，s2，s3，t1，t2和t3表示過電壓系數(shù)。基于此可得電解槽氫氣產(chǎn)量為

其中，ai(i= 1,2,…,5)為法拉第效應(yīng)相對系數(shù)，z為每次反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。

4 以經(jīng)濟效益為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法

通過分析本文所述的風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以得出，除前期發(fā)電系統(tǒng)的投資成本外，系統(tǒng)的主要成本來源包括可再生能源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的維護費用、氫儲能設(shè)施(包括電解水制氫設(shè)備、壓縮儲氫設(shè)備)建設(shè)及維護費用、氫燃料電池或內(nèi)燃機購置及維護費用、氫能源運輸及加氫站建設(shè)(或投資)費用等；系統(tǒng)的收益來源主要包括售電(上網(wǎng)電量)收益和售氫收益兩部分。由此可得以下經(jīng)濟模型：

其中，Sc表示綜合能源系統(tǒng)的成本，Si表示綜合能源系統(tǒng)的收入，Sb表示綜合能源系統(tǒng)的利潤。pc表示系統(tǒng)中各部分的投資建設(shè)費用，pm表示系統(tǒng)中各部分的維護費用。pp表示售電單價，ph表示售氫單價，Po,t表示t時刻的綜合能源系統(tǒng)平滑上網(wǎng)功率，理想條件下為恒定值，T表示系統(tǒng)運行時長，λ表示電解水制氫后用以運輸至加氫站的氫能源比例系數(shù)，主要由系統(tǒng)中光伏和風(fēng)機的發(fā)電總量、電網(wǎng)需求等決定。Ph,t表示用以電解水制氫的功率，其計算方法為：

其中，Pδ為波動功率。

以經(jīng)濟效益為目標(biāo)的風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)需保證Sb的最大化，其可配置因素包括投資建設(shè)和維護費用、平滑上網(wǎng)功率、氫儲系統(tǒng)容量和售氫比例系數(shù)，其他影響因素包括風(fēng)力資源、光照資源、售電單價和氫能源市場價格等。依據(jù)上述模型，通過合理配置，可以有效提高綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

可再生能源發(fā)電與氫儲能結(jié)合的綜合能源系統(tǒng)將成為未來可再生能源應(yīng)用的重要形式，可以有效提高可再生能源利用率，實現(xiàn)風(fēng)光電力平滑上網(wǎng)，解決波動性功率上網(wǎng)難題，降低碳排放水平。其中，系統(tǒng)各部分容量的優(yōu)化配置是關(guān)鍵問題。本文以綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)，建立了綜合能源系統(tǒng)運行模型，并提出了相應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化配置方案，可有效保障系統(tǒng)收益，為風(fēng)光氫儲綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)提供參考與建議。