“雙碳”背景下區(qū)域電力-氫能系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃

文凡，陳彥佐，車佳辰，徐華池，林瑞霄*

（1．國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，浙江省 杭州市 310020；2．清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川省 成都市 610042）

0 引言

全球碳中和發(fā)展形勢下，中國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)面臨巨大壓力[1]。氫能既可在源端支撐可再生能源規(guī)?；_發(fā)，又能在負(fù)荷端實現(xiàn)鋼鐵、水泥、石油化工等難脫碳行業(yè)的深度脫碳，能在共同支撐“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的過程中，與電力高效互補協(xié)同。電力系統(tǒng)和氫能系統(tǒng)均非常復(fù)雜，這兩個系統(tǒng)之間的互動更增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜度。對于電力系統(tǒng)，相關(guān)單位每年都會開展大量的規(guī)劃研究設(shè)計工作，有力保障了電力系統(tǒng)的清潔低碳、安全高效運行。由于系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，將電力和氫能系統(tǒng)作為整體進行協(xié)同規(guī)劃研究設(shè)計，對于未來電力-氫能系統(tǒng)的清潔低碳、安全高效運行更加重要，但目前缺乏相關(guān)研究。

眾多專家學(xué)者針對減碳目標(biāo)約束下的區(qū)域電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型路徑開展了研究[2-7]，但未突破電力系統(tǒng)固有邊界，沒有考慮未來很可能與電力系統(tǒng)有強耦合關(guān)系的氫能、熱力等系統(tǒng)。

為綜合考慮電力系統(tǒng)與其他能源系統(tǒng)，部分研究人員開發(fā)并應(yīng)用了一類稱為能源系統(tǒng)優(yōu)化模型的規(guī)劃工具[8-10]。近年來，這類模型通常用于研究一個地區(qū)在不同可再生能源裝機占比下，電力系統(tǒng)的容量配置及優(yōu)化運行[11]。文獻[12]在能源系統(tǒng)優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，重點研究了氫能在歐洲地區(qū)未來的零碳電力系統(tǒng)中的作用。這類模型雖然突破了電力系統(tǒng)的邊界，但未突破能源系統(tǒng)的邊界。

文獻[13]和[14]分別提出了一種包含電能子系統(tǒng)和氫能子系統(tǒng)的電氫能源系統(tǒng)和電氫樞紐，考慮了氫作為物質(zhì)的應(yīng)用，突破了能源系統(tǒng)的邊界。但文獻重點是對電氫能源系統(tǒng)涉及的研究、技術(shù)、經(jīng)濟性進行綜述與展望，沒有研究針對該系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃。

文獻[15]建立了一種能源系統(tǒng)優(yōu)化模型，分析了歐洲能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型路徑，發(fā)現(xiàn)氫在能源系統(tǒng)脫碳，特別是在解決電力供需不匹配以及交通和工業(yè)領(lǐng)域脫碳有重要作用，但該研究的時間顆粒度較粗，無法進行系統(tǒng)運行優(yōu)化。文獻[16]建立了考慮風(fēng)光發(fā)電為主的h級零碳電力-氫能系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃模型，并將模型應(yīng)用于荷蘭，該研究屬于電力-氫能系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃的范疇，但只研究了電力系統(tǒng)零碳情況下系統(tǒng)的優(yōu)化配置和運行，沒有研究在實現(xiàn)零碳路徑的不同階段電力-氫能系統(tǒng)應(yīng)該如何協(xié)同發(fā)展的問題，也沒有區(qū)分氫在不同行業(yè)中的需求。

綜上，目前還缺乏一種具有細(xì)時間顆粒度、考慮綠氫對其所應(yīng)用行業(yè)脫碳作用的區(qū)域電力-氫能系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃模型，缺乏對電力-氫能系統(tǒng)在邁向碳中和/零碳過程中的協(xié)同發(fā)展路徑的優(yōu)化規(guī)劃。相關(guān)類似研究主要集中在歐洲地區(qū)，國內(nèi)相關(guān)研究更加缺乏。

本文建立區(qū)域電力-氫能系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展優(yōu)化規(guī)劃模型，并將模型應(yīng)用于浙江省，以探究如下幾個問題：①未來不同時期碳排放、負(fù)荷需求等約束下經(jīng)濟性最優(yōu)的電力-氫能系統(tǒng)各組成部分的容量配置和運行方式；②在實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)過程的不同階段，電力-氫能系統(tǒng)協(xié)同脫碳的經(jīng)濟性最優(yōu)路徑；③氫能和抽水蓄能、電化學(xué)儲能等其他儲能方式在新型電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展過程中分別扮演的角色及發(fā)揮的作用。

1 模型方法

1.1 模型架構(gòu)

模型的典型架構(gòu)如圖1所示，模型內(nèi)的模塊主要分為電源、電力輸入/輸出、電力負(fù)荷、儲能、電解水制氫、氫輸入/輸出、儲氫、氫發(fā)電、氫應(yīng)用、碳排放等部分。需要特別指出的是，圖1是以浙江省資源稟賦及其特點為例搭建的模型架構(gòu)，不同區(qū)域不同時期的電力-氫能系統(tǒng)各不相同，可以根據(jù)需要靈活調(diào)整模型內(nèi)包含的元素及其輸入輸出關(guān)系。模型以整個系統(tǒng)內(nèi)總成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，并以碳價的方式考慮了碳排放帶來的成本。模型以h為時間顆粒度，以逐時電力平衡、氫量平衡、碳排放總量約束為主要約束，求解規(guī)劃區(qū)域內(nèi)滿足未來不同年份需求與約束的、系統(tǒng)成本最優(yōu)的電力-氫能系統(tǒng)內(nèi)各組成元素的容量配置和運行方式。從優(yōu)化規(guī)劃的類型來說，該模型屬于一種線性規(guī)劃（linear programming, LP）模型；若將多個節(jié)點的模型連接起來組成多節(jié)點模型，則構(gòu)成了一種混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear program,MILP）模型。

圖1 區(qū)域電力-氫能系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃模型典型架構(gòu)Fig. 1 Typical schema of reginal power-hydrogen system optimization model

1.2 主要假設(shè)

模型的主要假設(shè)如下：

1）將區(qū)域假設(shè)為一個節(jié)點，沒有考慮區(qū)域內(nèi)部各種設(shè)備的空間分布，以及區(qū)域內(nèi)部電力傳輸和氫的運輸，此類假設(shè)是區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化中的常用假設(shè)，如文獻[11-12，16]中均采用；

2）沒有考慮設(shè)備的變工況速率約束；

3）模型內(nèi)各模塊均可以運行在0～100%額定功率；

4）每h內(nèi)各設(shè)備的運行情況隨時間保持不變，在這樣的假設(shè)下，逐時的電力平衡和電量平衡是等價的；

5）將固定投資按設(shè)備壽命平均分?jǐn)偟矫磕?，且為了避免線性規(guī)劃模型變?yōu)榍蠼鈴?fù)雜度大大提升的非線性規(guī)劃模型，未考慮折現(xiàn)率；

6）對所考慮的綠氫終端應(yīng)用領(lǐng)域，未考慮碳捕獲、利用與封存（carbon capture, utilization and storage,CCUS）等其他潛在脫碳路徑；

7）沒有考慮電能和綠氫進行終端替代所需要的設(shè)備/工藝改造或新建帶來的成本變化。

1.3 目標(biāo)函數(shù)

本優(yōu)化規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)是使年系統(tǒng)總成本最低，既包括系統(tǒng)內(nèi)各組成元素的固定投資的分?jǐn)偂⒐潭ǖ倪\維成本、變動的運行成本，又包括電力和氫能輸入/輸出的成本/收益，還包括因為碳價帶來的碳排放成本，可表示為

式中：E1指系統(tǒng)內(nèi)沒有變動運行成本的組成元素，包括不需要消耗燃料的電源、儲能設(shè)備、電解水制氫設(shè)備、儲氫設(shè)施、氫發(fā)電設(shè)備等；E2指系統(tǒng)內(nèi)存在變動運行成本的組成元素，包括煤電、氣電、核電等需要消耗燃料的電源設(shè)施；E3指輸入或輸出的電力/氫能；cad,E1是設(shè)備E1從上一時間截面到本時間截面期間需要新增的裝機；CE1是上一時間截面到本時間截面期間投運設(shè)備的單位固定投資；tE1是上一時間截面到本時間截面期間投運設(shè)備E1的平均設(shè)計壽命；cex,E1是設(shè)備E1在上一時間截面已有的裝機；cre,E1是設(shè)備E1在上一時間截面到本時間截面期間要退役的裝機；Ofix,E1是設(shè)備E1的年固定運維成本與固定投資的比例；PE2,i是設(shè)備E2在第i小時內(nèi)的發(fā)電功率；FE2是設(shè)備E2在上一時間截面到本時間截面期間的度電燃料成本；PE3,i是第i小時內(nèi)電力/氫能的輸入（為正）或輸出（為負(fù)）量；EE3是上一時間截面到本時間截面期間輸入或輸出電力/氫能的單價；MCO2是年碳排放量；CCO2是上一時間截面到本時間截面期間的碳價。

1.4 約束條件

限于篇幅，僅列出主要的約束條件。

1）電力平衡約束。該約束旨在保證區(qū)域電力供需平衡，可表示為

式中：Pload,i是第i小時的電力負(fù)荷；PES,in,i是儲能設(shè)備ES第i小時的輸入功率；Pele,i是電解水制氫設(shè)備第i小時的制氫功率；PGout,i是第i小時的電力外送功率；PPS,i是電源PS第i小時的發(fā)電功率；PES,out,i是儲能設(shè)備ES第i小時的輸出功率；PH2P,i是氫發(fā)電設(shè)備H2P第i小時的發(fā)電功率；PGin,i是第i小時的電力輸入功率。

2）氫量平衡約束。該約束旨在保證區(qū)域氫的供需平衡，可表示為

式中：HS,i是行業(yè)S第i小時的用氫量；HHS,in,i是儲氫設(shè)備HS第i小時的充氫量；HH2P,i是氫發(fā)電設(shè)備H2P第i小時的耗氫量；Hout,i是第i小時的氫外送量；Hele,i是電解水制氫設(shè)備第i小時的制氫量；HHS,out,i是儲氫設(shè)備HS第i小時的放氫量；Hin,i是第i小時的氫進口量。

3）碳排放約束。模型涉及的電力行業(yè)碳排放，以及鋼鐵、水泥、石油化工、重載/長距離交通等行業(yè)中通過綠氫替代可減少的碳排放總和不應(yīng)超過設(shè)定的碳排放限值，可表示為

式中：IPS是電源PS的碳排放因子；CS,WOH是行業(yè)S可以通過綠氫替代減少的年碳排放量；HS,max是行業(yè)S完全綠氫替代的年用氫量；Clim是碳排放限值。此處將各用氫行業(yè)的年碳排與該行業(yè)的年用氫量進行了關(guān)聯(lián)。

4）電源約束。主要包括：裝機容量約束（主要受限于規(guī)劃、資源稟賦），新增裝機容量約束（主要受限于建設(shè)速度/產(chǎn)能），發(fā)電功率約束（主要受限于裝機容量、風(fēng)光水的情況），可再生能源棄電率約束。

5）儲能約束。主要包括：裝機容量約束（主要受限于規(guī)劃、自然條件），新增裝機容量約束（主要受限于建設(shè)速度/產(chǎn)能），運行功率約束（主要受限于裝機容量），儲能量約束（主要受限于最大儲能量），容量平衡約束。

容量平衡約束描述的是儲能設(shè)備的儲能量與其輸入/輸出功率之間的關(guān)系，可表示為

式中：ηES,in是儲能設(shè)備ES在電力輸入時的電-儲能的能量轉(zhuǎn)化效率；ηES,out是儲能設(shè)備ES在電力輸出時的儲能-電的能量轉(zhuǎn)化效率；RES是儲能設(shè)備ES的最大儲能量；LES是儲能設(shè)備ES每h泄漏的能量與最大儲能量之間的比例；SES,i是儲能設(shè)備ES第i小時的儲能量；SES,ini是儲能設(shè)備ES一年初始的儲能量。

6）電解水制氫約束。主要包括：裝機容量約束（主要受限于規(guī)劃、資源稟賦），新增裝機容量約束（主要受限于建設(shè)速度/產(chǎn)能），運行功率約束（主要受限于裝機容量），能量轉(zhuǎn)換約束。

能量轉(zhuǎn)換約束描述的是電解水制氫設(shè)備的產(chǎn)氫速率與功耗之間的關(guān)系，可表示為

式中：ηele是電解水制氫設(shè)備單位電耗的產(chǎn)氫量。

7）儲氫約束。主要包括：裝機容量約束（主要受限于規(guī)劃、自然條件），新增裝機容量約束（主要受限于建設(shè)速度/產(chǎn)能），充/放氫速率約束（主要受限于裝機容量），儲氫量約束（主要受限于最大儲氫量），儲氫量平衡約束。

儲氫量平衡約束描述的是儲氫設(shè)備的儲氫量與其充/放氫速率之間的關(guān)系，可表示為

式中：ηHS,in是儲氫設(shè)備HS在充氫時的效率，由于充/放氫時的氫泄漏等損失，該值小于1；ηHS,out是儲氫設(shè)備HS在放氫時的效率；RHS是儲氫設(shè)備HS的最大儲氫量；LHS是儲氫設(shè)備HS每h的氫泄漏量與最大儲氫量之間的比例；SHS,i是儲氫設(shè)備HS第i小時的儲氫量；SHS,ini是儲氫設(shè)備HS一年初始的儲氫量。

8）氫發(fā)電約束。主要包括：裝機容量約束（主要受限于規(guī)劃），新增裝機容量約束（主要受限于建設(shè)速度/產(chǎn)能），發(fā)電功率約束（主要受限于裝機容量），能量轉(zhuǎn)換約束。

能量轉(zhuǎn)換約束描述的是氫發(fā)電設(shè)備的發(fā)電功率與耗氫速率之間的關(guān)系，可表示為

式中：ηH2P是氫發(fā)電設(shè)備單位氫耗的發(fā)電量。

1.5 模型輸入

模型的輸入主要有以下幾類。

1）區(qū)域內(nèi)各種電源的裝機現(xiàn)狀、規(guī)劃、資源稟賦，以及成本、壽命、效率、碳排放因子、逐時的風(fēng)光數(shù)據(jù)，本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為浙江省相關(guān)現(xiàn)狀與規(guī)劃、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫以及文獻[11,17-25]。

2）區(qū)域的電力輸入/輸出現(xiàn)狀、規(guī)劃，本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為浙江省相關(guān)現(xiàn)狀與規(guī)劃。

3）區(qū)域逐時電力負(fù)荷的現(xiàn)狀與預(yù)測，本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為浙江省的相關(guān)情況。

4）區(qū)域內(nèi)各種儲能設(shè)施的裝機現(xiàn)狀、規(guī)劃、資源稟賦，以及成本、壽命、循環(huán)效率、自放電率，本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為浙江省相關(guān)現(xiàn)狀與規(guī)劃以及文獻[11,16,26-27]。

5）電解水制氫系統(tǒng)的成本、壽命、電耗，本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為文獻[16,28]。

6）儲氫設(shè)施的成本、壽命、循環(huán)效率、儲氫壓力、墊氣體積分?jǐn)?shù)，本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為文獻[11-12,16,29-30]。

7）氫發(fā)電設(shè)施的成本、壽命、效率，本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為文獻[16,18]。

8）區(qū)域內(nèi)鋼鐵、水泥、石油化工、重載/長距離交通等潛在綠氫應(yīng)用減碳行業(yè)的規(guī)模現(xiàn)狀、規(guī)劃與預(yù)測，可通過綠氫替代減少的碳排，綠氫需求潛力。值得指出的是，不同行業(yè)中可通過綠氫替代減少的碳排比例以及單位綠氫替代的減排效益各不相同，主要取決于當(dāng)前的工藝方式、能源種類。本文采用的數(shù)據(jù)來源主要為浙江省相關(guān)統(tǒng)計年鑒、規(guī)劃以及文獻[31-46]。

部分重要輸入如表1至表3所示，其他模型輸入見附錄A。

表1 可再生能源主要參數(shù)Table 1 Main parameters of renewable energy

表2 電解水制氫主要參數(shù)Table 2 Main parameters of electrolyser

續(xù)表

表3 儲能主要參數(shù)Table 3 Main parameters of energy storage

2 “雙碳”背景下浙江省電力-氫能系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展路徑

將以上模型應(yīng)用于浙江省，可以得到“雙碳”背景下浙江省電力-氫能系統(tǒng)的一種協(xié)同發(fā)展路徑。綜合考慮模型求解的復(fù)雜程度以及對碳中和進程中負(fù)荷、設(shè)備技術(shù)經(jīng)濟性、碳價等參數(shù)變化的反映，本研究每10 a選擇一個時間截面，選擇了2030年、2040年、2050年、2060年這4個時間截面進行優(yōu)化規(guī)劃，通過MATLAB R2018b平臺調(diào)用linprog求解器進行求解。

2.1 電源的發(fā)展路徑

圖2為“雙碳”背景下浙江省電源的優(yōu)化發(fā)展路徑，到2060年，光伏、海上風(fēng)電、核電逐步發(fā)展為浙江省的裝機主力，可再生能源裝機比例達到約84%，包含核電在內(nèi)的清潔能源裝機比例達到100%。

圖2 “雙碳”背景下浙江省電源裝機的優(yōu)化結(jié)果Fig. 2 Optimal development of power source in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

圖3所示為“雙碳”背景下浙江省各電源發(fā)電量的優(yōu)化發(fā)展路徑，到2060年，光伏、海上風(fēng)電、核電逐步發(fā)展為浙江省的主力電源，清潔電力的輸入始終是浙江省電力系統(tǒng)清潔低碳安全高效發(fā)展的重要保障，省內(nèi)可再生能源發(fā)電比例達到約48%，包含核電在內(nèi)的省內(nèi)清潔能源發(fā)電比例達到約75%。

圖3 “雙碳”背景下浙江省電力供應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果Fig. 3 Optimal development of electricity supply in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

圖4展示了到2060年浙江省非可再生能源的年均容量因子的發(fā)展變化，反映出其運行方式的演變。煤電的容量因子呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢，從當(dāng)前的50%左右下降到2050年的低于10%，一方面意味著煤電逐步從基荷電源轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴峁╈`活性為主的調(diào)峰電源，另一方面意味著煤電通過靈活性改造在浙江省“雙碳”進程的前中期都發(fā)揮著重要作用。氣電的容量因子先上升后下降，2040年容量因子達到60%左右，體現(xiàn)了氣電作為一種低碳發(fā)電形式在碳中和進程中期的重要作用，2040年后氣電的容量因子逐步下降，與煤電一起作為調(diào)峰電源為電網(wǎng)提供靈活性。核電的容量因子始終維持在較高水平，表明核電一直發(fā)揮著基荷電源的作用，核電的容量因子有一定的下降，說明隨著可再生能源裝機比例的提高，也需要核電提供更多的靈活性。

圖4 “雙碳”背景下浙江省非可再生能源年均容量因子的優(yōu)化結(jié)果Fig. 4 Optimal development of capacity factor of non-renewables in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

需要指出的是，圖4中2030年氣電的容量因子很低，主要有如下幾方面原因：一是由于模型輸入中設(shè)定的氣電的發(fā)電成本顯著高于煤電的發(fā)電成本；二是由于模型沒有考慮各設(shè)備的變工況速率和運行范圍限制，因而弱化了氣電相比煤電在靈活性方面的優(yōu)勢；三是沒有考慮基數(shù)電量等用于保障氣電小時數(shù)的政策設(shè)置。若考慮上述因素，預(yù)計計算得到的氣電容量因子會提高。

圖5為到2060年浙江省主要可再生能源的棄電率變化，優(yōu)化結(jié)果說明，即使在高比例可再生能源下，可再生能源的棄電率也始終可以維持在低于2.5%的較低水平。

圖5 “雙碳”背景下浙江省可再生能源年均棄電率的優(yōu)化結(jié)果Fig. 5 Optimal development of curtailment rate of renewables in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

2.2 儲能和氫發(fā)電的發(fā)展路徑

圖6展示了“雙碳”背景下浙江省的抽蓄、電化學(xué)儲能和氫發(fā)電設(shè)施的裝機容量發(fā)展。隨著可再生能源裝機比例的提高，儲能和氫發(fā)電的裝機容量以及與電源裝機容量之比均逐年提高，說明電力系統(tǒng)中需要更多的靈活性資源，且靈活性資源的增速需要高于可再生能源裝機的增速。分技術(shù)看，抽水蓄能電站始終是浙江省儲能設(shè)施中的主力，且還需要大力發(fā)展，到2060年抽蓄的裝機大概是2020年裝機的9倍；電化學(xué)儲能的裝機容量雖然有所增加，但所需總量相對較?。粴浒l(fā)電的裝機到2040年后需要有一定的發(fā)展，且模型優(yōu)化結(jié)果選擇了氫燃?xì)廨啓C而不是燃料電池這條技術(shù)路線，主要原因是氫燃?xì)廨啓C可以通過燃?xì)廨啓C改造，成本相對較低，且氫燃?xì)廨啓C也可以達到較高的效率。

圖6 “雙碳”背景下浙江省儲能和氫發(fā)電裝機的優(yōu)化結(jié)果Fig. 6 Optimal development of energy storage and hydrogen power generation in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

圖7所示為浙江省抽蓄、電化學(xué)和氫發(fā)電設(shè)施年發(fā)電量的變化。2050年之前，儲能和氫發(fā)電設(shè)施的發(fā)電量及其與總發(fā)電量之比均逐年提高，表明系統(tǒng)對靈活性資源需求的增加；2050年后，儲能和氫發(fā)電設(shè)施的發(fā)電量出現(xiàn)下降，這主要是由于在2050—2060年的深度脫碳階段中水泥、航運等難脫碳領(lǐng)域新增了大量對綠氫的需求，電解水制氫-儲氫-應(yīng)用于非電力行業(yè)替代了部分對于儲能的需求。

圖7 “雙碳”背景下浙江省儲能年發(fā)電量的優(yōu)化結(jié)果Fig. 7 Optimal development of power generation of energy storage in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

2.3 電解水制氫的發(fā)展路徑

圖8和圖9展示了“雙碳”背景下浙江省電解水制氫裝機容量及年用電量的發(fā)展路徑?？梢钥吹剑瑥南到y(tǒng)成本優(yōu)化的角度，對浙江省而言，2040年后需要大規(guī)模推廣電解水制氫，到2060年需要約1億kW的裝機；相應(yīng)的制氫耗電量也在2040年后逐漸增加，到2060年，制氫耗電量約占浙江省總用電量的30%，這一數(shù)值主要是由浙江省潛在綠氫應(yīng)用脫碳行業(yè)的規(guī)模決定的。

圖8 “雙碳”背景下浙江省電解水制氫裝機的優(yōu)化結(jié)果Fig. 8 Optimal development of electrolyser in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

圖9 “雙碳”背景下浙江省制氫用電量及占比優(yōu)化結(jié)果Fig. 9 Optimal development of power consumption of electrolyserin Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

2.4 儲、用氫的發(fā)展路徑

圖10所示為“雙碳”背景下浙江省需要的儲氫設(shè)施總?cè)萘孔兓?。隨著2040年后開始大規(guī)模推廣電解水制氫，儲氫設(shè)施容量的需求也逐漸增加，到2060年碳中和時，浙江省需要總?cè)萘考s為年制氫量6%的儲氫設(shè)施。

圖10 “雙碳”背景下浙江省儲氫設(shè)施容量的優(yōu)化結(jié)果Fig. 10 Optimal development of hydrogen storage in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

圖11展示了“雙碳”背景下綠氫在浙江省不同終端應(yīng)用的發(fā)展路徑。用于發(fā)電的氫占總氫量的比例不高，到2050年最高上升到20%左右，而后隨著氫在其他非電力領(lǐng)域應(yīng)用量的增加，用于發(fā)電的氫量占比下降到2%以下。這體現(xiàn)了未來氫能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)協(xié)同的一種可能較優(yōu)的方式，即氫能系統(tǒng)主要通過電解水制氫-儲氫-應(yīng)用于非電力行業(yè)這一路徑為電力系統(tǒng)提供靈活性。此外，從碳的視角來看，將綠氫優(yōu)先應(yīng)用于道路貨運、化工、鋼鐵行業(yè)，而后再拓展應(yīng)用到水泥、航運、航空，是一種較好的選擇，這主要是由于在道路貨運、化工、鋼鐵行業(yè)中單位綠氫替代帶來的減碳量更高。

圖11 “雙碳”背景下綠氫在浙江省不同行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)化結(jié)果Fig. 11 Optimal development of hydrogen application in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

2.5 碳排放的發(fā)展路徑

圖12展示了本模型邊界內(nèi)的碳排放下降路徑：2040年前浙江省主要進行電力領(lǐng)域的脫碳；2040年后涉氫減碳領(lǐng)域開始通過綠氫應(yīng)用脫碳，與電力領(lǐng)域脫碳產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，但電力領(lǐng)域脫碳速度仍然更快；2050年后主要進行水泥、航運、航空等難脫碳領(lǐng)域的深度減碳。

圖12 模型邊界內(nèi)的浙江省碳排放下降路徑優(yōu)化Fig. 12 Optimal development of CO2 reduction in Zhejiang Province towards carbon peak and neutrality

2.6 系統(tǒng)的運行特點

由于模型以h為時間顆粒度，因此可以同時對系統(tǒng)的容量配置和逐時運行參數(shù)進行優(yōu)化。圖13以2060年為例展現(xiàn)了在零碳電力-氫能系統(tǒng)中，氫能、抽蓄、電化學(xué)儲能的運行特點，體現(xiàn)了其發(fā)揮的不同作用。具體來說，抽蓄電站始終是儲能設(shè)施中的主力，既發(fā)揮短周期快速功率響應(yīng)作用，也發(fā)揮長周期調(diào)節(jié)作用；電化學(xué)儲能所需裝機容量較小，主要發(fā)揮短周期快速功率響應(yīng)作用；氫能在2040年后主要通過可再生能源發(fā)電高峰時制氫-儲氫-應(yīng)用于非電力行業(yè)為電力系統(tǒng)提供靈活性，主要發(fā)揮長周期調(diào)節(jié)作用。

圖13 2060年浙江省儲氫、抽蓄、電化學(xué)儲能的運行優(yōu)化結(jié)果Fig. 13 Optimal operation results of hydrogen, pumped storage and electrochemical energy storage in Zhejiang Province in 2060

圖14以2060年7月第1周為例展現(xiàn)了在高比例可再生能源及零碳電力-氫能系統(tǒng)中電力系統(tǒng)的運行特點。系統(tǒng)運行呈現(xiàn)出如下特點：基荷主要由電力輸入和核電提供，可再生能源發(fā)電的峰值用于電解水制氫，可再生能源發(fā)電的尖峰部分也由抽蓄及電化學(xué)儲能吸收，在可再生能源發(fā)電不足時由抽蓄、電化學(xué)儲能及燃?xì)漭啓C發(fā)電作為補充。這里也體現(xiàn)了未來氫能系統(tǒng)與電力系統(tǒng)協(xié)同的一種可能較優(yōu)的方式，即氫能系統(tǒng)主要通過電解水制氫-儲氫-應(yīng)用于非電力行業(yè)這一路徑為電力系統(tǒng)提供靈活性，而不是通過制氫-儲氫-發(fā)電這一方式。

圖14 2060年7月第1周浙江省電力系統(tǒng)運行優(yōu)化結(jié)果Fig. 14 Optimal operation of power system in Zhejiang Province on 1st week, July, 2060

3 結(jié)論

本文建立了一種以h為時間顆粒度的區(qū)域電力-氫能系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃模型，并應(yīng)用模型對浙江省電力-氫能系統(tǒng)在邁向碳中和/零碳過程中的協(xié)同發(fā)展路徑進行了優(yōu)化規(guī)劃，得到如下主要結(jié)論。

1）在邁向碳中和進程的前期（2040年之前），浙江省電力系統(tǒng)對于靈活性資源的需求主要通過抽蓄電站以及火電靈活性運行提供；在邁向碳中和進程的中后期（2040年之后），浙江省電力系統(tǒng)對于靈活性資源的需求除通過抽蓄電站以及火電靈活性運行提供之外，氫能也會發(fā)揮重要作用，且主要通過電解水制氫-儲氫-應(yīng)用于非電力行業(yè)這條路徑，而不是電解水制氫-儲氫-氫發(fā)電這條路徑。

2）在邁向碳中和進程的中后期（2040年之后），浙江省需要規(guī)?；茝V電解水制氫及綠氫應(yīng)用，以實現(xiàn)較優(yōu)的系統(tǒng)脫碳經(jīng)濟性，并優(yōu)先在道路貨運、化工、鋼鐵行業(yè)推廣，而后擴展到水泥、航運、航空等其他行業(yè)。到2060年，浙江省用于制氫的電量約占總發(fā)電量的30%。

3）浙江省電力-氫能系統(tǒng)的協(xié)同脫碳路徑規(guī)劃如下：2040年前重點進行電力領(lǐng)域的脫碳；2040年后電力領(lǐng)域和鋼鐵、水泥、石油化工等涉氫減碳領(lǐng)域協(xié)同脫碳；2050年后主要進行鋼鐵、水泥、石油化工等難脫碳領(lǐng)域的深度減碳。

4）在浙江省新型電力系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展過程中，抽蓄電站始終是儲能設(shè)施中的主力，既發(fā)揮短周期快速功率響應(yīng)作用，也發(fā)揮長周期調(diào)節(jié)作用；電化學(xué)儲能所需裝機容量較小，主要發(fā)揮短周期快速功率響應(yīng)作用；氫能在2040年后主要通過可再生能源發(fā)電高峰時制氫-儲氫-應(yīng)用于非電力行業(yè)為電力系統(tǒng)提供靈活性，主要發(fā)揮長周期調(diào)節(jié)作用。

5）實現(xiàn)凈零排放的高比例新能源電力-氫能系統(tǒng)的優(yōu)化運行方式具有如下特點：可再生能源發(fā)電峰值主要由電解水制氫吸收，尖峰部分也由抽蓄和電池吸收；抽蓄、電池、燃?xì)漭啓C發(fā)電作為靈活性資源，補充電源功率的不足。

本文建立的模型在綜合考慮精度和運算時間后選擇了以h為時間顆粒度。如何在本文建立的以h為時間顆粒度的優(yōu)化模型中，加入在更小時間尺度上的設(shè)備動態(tài)性能約束，從而使模型實現(xiàn)多時間尺度的運行優(yōu)化，是下一步的研究方向之一。

本文建立的模型重在對區(qū)域內(nèi)電力-氫能系統(tǒng)各設(shè)備設(shè)施進行“定容”，而對于各設(shè)備設(shè)施具體的“布點”也是優(yōu)化規(guī)劃的重要內(nèi)容，是下一步的研究方向之一。

附錄A 將模型應(yīng)用于浙江省采用的輸入數(shù)據(jù)

表A1 浙江省主要化石能源發(fā)電裝機現(xiàn)狀、規(guī)劃及未來Table A1 Status, planning and future of installed capacity of major fossil energy in Zhejiang Province萬kW

表A2 浙江省核電裝機現(xiàn)狀、規(guī)劃及未來Table A2 Status, planning and future of installed capacity ofnuclear energy in Zhejiang Province萬kW

圖A1 浙江省陸上風(fēng)電容量因子典型曲線（年平均容量因子=26.9%）Fig. A1 Typical capacity factor curve of onshore wind in Zhejiang Province (annual average capacity factor= 26.9%)

圖A2 浙江省海上風(fēng)電容量因子典型曲線（年平均容量因子=39.0%）Fig. A2 Typical capacity factor curve of offshore wind in Zhejiang Province (annual average capacity factor= 39.0%)

圖A3 浙江省光伏容量因子典型曲線（年平均容量因子=15.9%）Fig. A3 Typical capacity factor curve of PV in Zhejiang Province(annual average capacity factor= 15.9%)

表A4 浙江省跨省跨區(qū)年輸入電量現(xiàn)狀、規(guī)劃與上限假設(shè)Table A4 Status, planning and upper limit assumptions of annual electricity input in Zhejiang Province億kWh

浙江省跨省跨區(qū)電力輸入的結(jié)算價格取0.38元/kWh。

圖A4 浙江省2021年的逐時電力負(fù)荷Fig. A4 Hourly power load in Zhejiang Province in 2021

圖A5 浙江省全社會年最高用電負(fù)荷預(yù)測Fig. A5 Prediction of the annual maximum electricity load of Zhejiang Province

表A5 浙江省抽水蓄能的現(xiàn)狀、規(guī)劃及潛力Table A5 Status, planning and potential of pumped hydro storage in Zhejiang Province萬kW

表A6 燃料電池和氫燃?xì)廨啓C的主要參數(shù)Table A6 Main parameters of fuel cells and hydrogen gas turbines

圖A6 浙江省粗鋼產(chǎn)量及生產(chǎn)方式變化與預(yù)測Fig. A6 Change and prediction of crude steel production in Zhejiang Province

圖A7 浙江省水泥產(chǎn)量變化與預(yù)測Fig. A7 Change and prediction of cement production in Zhejiang Province

圖A8 浙江省合成氨產(chǎn)量變化與預(yù)測Fig. A8 Change and prediction of ammonia production in Zhejiang Province

圖A9 浙江省煉油能力變化與預(yù)測Fig. A9 Change and prediction of refining capacity in Zhejiang Province

圖A10 浙江省公路貨運周轉(zhuǎn)量變化與預(yù)測Fig. A10 Change and prediction of road cargo turnover in Zhejiang Province

圖A11 浙江省水路貨運周轉(zhuǎn)量變化與預(yù)測Fig. A11 Change and prediction of waterway cargo turnover in Zhejiang Province

圖A12 浙江省航空旅客發(fā)送量變化與預(yù)測Fig. A12 Change and prediction of air passenger departure in Zhejiang Province

圖A13 對模型邊界內(nèi)的碳排放設(shè)定的限值Fig. A13 Limits set on carbon emissions within model boundaries

模型輸入中采用圖A14中新興經(jīng)濟體在快速轉(zhuǎn)型和凈零情景下的平均碳價格。

圖A14 平均碳價變化預(yù)測Fig. A14 Prediction of average carbon price