碳中和視角下的氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化配置

何彬彬，楊 波，潘 軍，盧彥杉，江 軍

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州供電局，廣東 廣州 510620)

碳中和的概念于2020年9月由中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會上正式提出。碳中和主要指的是企業(yè)、團體或個人測算在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體總量，在通過某些環(huán)保手段如節(jié)能減排、種樹造林以后能夠進行抵消，最終實現(xiàn)二氧化碳零排放。在所有產(chǎn)生二氧化碳的場景中，企業(yè)、工業(yè)園區(qū)的能源系統(tǒng)是外排二氧化碳的重要環(huán)節(jié)。由于常規(guī)儲能系統(tǒng)多以燃煤、燃?xì)獾葹橹鳎陂L期、大量的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大量二氧化碳，這些二氧化碳并不能完全進行零排放處理。開發(fā)一種新型環(huán)保型儲能系統(tǒng)，成為工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要手段。氫能是一種新型清潔能源。氫在燃燒以后基本只會形成水分，簡單處理以后便可以實現(xiàn)外界零污染，更不會生成大量的二氧化碳等溫室氣體[1-3]。因此，本文以碳中和的視角出發(fā)，提出了1種配置氫儲能能源系統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)電熱氣耦合園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，通過分析該系統(tǒng)的多能聯(lián)儲聯(lián)供模型應(yīng)用效果，總結(jié)了這種基于氫儲能電熱氣耦合模型的綜合能源系統(tǒng)的典型應(yīng)用場景。

1 氫儲能低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電熱氣耦合指的是外部電網(wǎng)(電)、外部氣網(wǎng)(熱、氣)與本地系統(tǒng)時間進行耦合，通過多元連接實現(xiàn)電能和天然氣使用的系統(tǒng)[4-6]。將氫儲能系統(tǒng)融入一般電熱氣耦合系統(tǒng)以后，本地系統(tǒng)將會增設(shè)氫儲能單元，與原系統(tǒng)的光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等進行耦合，實現(xiàn)多種能源之間的并行應(yīng)用。圖1所示為氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)基本架構(gòu)。

圖1 氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.1 Basic architecture of the electro-thermal couplingsystem of hydrogen energy storage

由圖1可知，系統(tǒng)在工作時，外部電網(wǎng)、外部氣網(wǎng)和本地氫儲能單元共同工作。外部電網(wǎng)將電能供給氫儲能單元的電解槽，由電解槽電解水生成氫氣和氧氣，氫氣進入儲氫罐中待用；外部氣網(wǎng)則通過天然氣帶動燃?xì)忮仩t和燃?xì)廨啓C作業(yè)形成熱能為工業(yè)園區(qū)提供必須的熱能；氫儲能單元則能夠兼具電網(wǎng)和氣網(wǎng)的2種作用，為系統(tǒng)提供電能和熱量。

1.2 氫儲能單元運行模式

圖1中的氫儲能單元運行模式主要有3種：在電解槽中消耗外部電網(wǎng)的電能將電解槽中的水轉(zhuǎn)化為氫氣、氧氣和1部分熱量；燃料電池消耗儲氫罐中的氫氣進行燃燒發(fā)電，為系統(tǒng)提供1部分電能和熱量，實現(xiàn)電熱聯(lián)供；儲氫罐中的氫氣可以混入天然氣中并與天然氣中的燃?xì)膺M行混合供給燃?xì)忮仩t和燃?xì)廨啓C使用，其作用與天然氣相同，且功能效率更高。在氫儲能單元的協(xié)助下，這3種模式可以為工業(yè)園區(qū)提供極為靈活的電熱供給模式，極大地提升了系統(tǒng)的電熱氣轉(zhuǎn)換能力。

2 氫儲能電熱氣耦合特性與優(yōu)化配置

2.1 氫儲能電熱氣耦合特性

氫儲能電熱氣耦合特性主要包含電化學(xué)特征和熱力學(xué)特征2部分。其中，電化學(xué)特征主要分析氫儲能單元中的電解槽、燃料電池在制氫、供電時的能量轉(zhuǎn)化效率；熱力學(xué)特征主要分析電解槽、燃料電池在工作過程中的基本熱力學(xué)特性。

2.1.1電化學(xué)特性

1)電解槽

傳統(tǒng)的電解制氫法多為堿性液體水解技術(shù)制氫。堿性液體主要為KOH、NaOH水溶液，在進行電解時直流電會將電解液中的水電解為氧氣和氫氣。通常情況下堿性液體電解質(zhì)電解槽的工作電流密度約為0.25 A/cm2。這種堿性液體電解制氫的方法已經(jīng)較為成熟，但多數(shù)傳統(tǒng)氫儲能系統(tǒng)都適用這種制氫方法。然而，這種制氫方法有時會出現(xiàn)電解液與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成不溶于溶液的碳酸鹽的情況，會逐漸對電解反應(yīng)形成影響，最終影響氫儲能系統(tǒng)制氫的效率。當(dāng)前較為先進的制氫方法為固體聚合物水電解制氫法。圖2為1種利用質(zhì)子交換膜搭建水電解環(huán)境制氫的原理圖。

圖2 質(zhì)子交換膜水電解制氫原理Fig.2 Principle of hydrogen production by hydrolysisof proton exchange membrane

質(zhì)子交換膜水電解制氫中由于存在質(zhì)子交換膜，這可以將傳統(tǒng)堿性溶液電解制氫時使用的石棉膜進行替換，實現(xiàn)質(zhì)子在交換膜中進行傳導(dǎo)的作用；這種質(zhì)子交換膜能夠有效避免堿性溶液與空氣中二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。同時，圖2所示的質(zhì)子交換膜水電解制氫電解池的結(jié)構(gòu)更為緊湊，電解池的歐姆電阻較一般堿性溶液制氫工藝更低，能夠大幅提升電解池的整體性能。質(zhì)子交換膜水電解制氫電流密度通常高于1 A/cm2，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電解制氫法。此外，與傳統(tǒng)的堿性溶液制氫法相比，質(zhì)子交換膜水電解制氫無需脫堿，可以直接將生成的氫氣儲存至儲氫罐中。質(zhì)子交換膜水電解制氫原理進行電解制氫電解槽的電能氫能轉(zhuǎn)化模型：

Mel(t)=ηelPel(t)

(1)

式中：Mel表示t時段質(zhì)子交換膜水電解制氫電解槽中的用電功率；Pel表示產(chǎn)氫功率；ηel表示制氫時的能量轉(zhuǎn)換效率。

2)燃料電池

氫燃料電池主要包含4部分：①陽極：氫氣進入燃料電池后會與電池陽極發(fā)生反應(yīng)，然后在催化劑的作用下釋放出電子和離子；②陰極：電子在經(jīng)過外電路后傳導(dǎo)至陰極的同時產(chǎn)生電流；③電解質(zhì)：離子在電場的作用下經(jīng)過電解質(zhì)遷移至燃料電池的陰極并與電子、氧氣等發(fā)生反應(yīng)生成水、釋放熱量；④外部電路：傳導(dǎo)電子以及將生成電能、熱能供給工業(yè)園區(qū)電熱網(wǎng)絡(luò)。在電熱氣耦合系統(tǒng)的幫助下，氫燃料電池的供熱效應(yīng)得到了良好的利用，使傳統(tǒng)氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率由40%提升至80%[7-9]。氫燃料發(fā)電的氫能動能轉(zhuǎn)化模型：

Pfc(t)=ηfcMfc(t)

(2)

式中：Mfc表示t時段發(fā)電時的耗氫功率；Pfc表示發(fā)電功率；ηfc表示耗氫發(fā)電時的能量轉(zhuǎn)換效率。

2.1.2熱力學(xué)特性

1)電解槽

電解槽在制氫過程中會形成一部分熱量，最終產(chǎn)生氫氣的溫度約為80 ℃左右；但是，這部分熱量很難被工業(yè)園區(qū)的熱網(wǎng)系統(tǒng)利用。此外，工業(yè)園區(qū)為了保證安全作業(yè)，通常還需要對電解槽進行冷卻水冷卻，從而保證氫氣的安全性。因此，電解槽部分的熱能轉(zhuǎn)換主要為熱量隨冷卻水流出，幫助工業(yè)園區(qū)實現(xiàn)能量耦合使用的熱量來源也主要是冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的熱水。

2)燃料電池

氫燃料電池在生成電能的同時，會形成大量的熱能，這部分熱量較電解槽散發(fā)熱量更高。目前燃料電池的熱管理方式主要有液冷和空冷2種。液冷是通過雙極板中的冷卻液帶走熱量；空冷是通過與空氣進行對流換熱帶走熱量。在室溫26 ℃左右、1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，可以根據(jù)氫燃料電池的工作原理計算高熱值對應(yīng)的電壓：

(3)

當(dāng)氫燃料電池中有電流流過時，電池的電壓會下降。假設(shè)工業(yè)園區(qū)在某個時間氫燃料電池的電壓為Vc，則電池的工作效率為：

(4)

式中：τ為氫燃料的過量系數(shù)。理論上，氫燃料電池產(chǎn)生1 kW·h電能，外放的熱量約為5 400 kJ或低于5 400 kJ。

2.2 氫儲能電熱氣耦合優(yōu)化配置

氫儲能電熱氣耦合優(yōu)化，其主要目的是在工業(yè)園區(qū)引入氫儲能系統(tǒng)以后，將氫儲能系統(tǒng)與圖1中原有的外部電網(wǎng)、外部氣網(wǎng)、光伏、風(fēng)電等進行融合，使化工園區(qū)氫儲能電氣耦合系統(tǒng)工作效率達(dá)到最佳，在獲得最好的經(jīng)濟性的同時實現(xiàn)碳排放的全面下降。圖3為碳中和視角下工業(yè)園區(qū)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)總體優(yōu)化配置框架。

圖3 氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)總體優(yōu)化配置框架Fig.3 Overall optimal configuration framework of theelectro-thermal coupling system of hydrogen energy storage

由圖3可知，氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)采用廣域協(xié)調(diào)、分層遞階控制的原理，將其氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)進行優(yōu)化。優(yōu)化以后的系統(tǒng)框架分為調(diào)度中心、本次集群控制系統(tǒng)和本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)3部分。

2.2.1調(diào)度中心

調(diào)度中心位于最上層，通常為工業(yè)園區(qū)統(tǒng)籌管理部分所掌控。該層以系統(tǒng)工作經(jīng)濟性為主要控制目標(biāo)，通過宏觀調(diào)控整個工業(yè)園區(qū)各部分電、熱、氣需求滾動計劃，校正電網(wǎng)、氣網(wǎng)等內(nèi)外部能源網(wǎng)絡(luò)的安全性，向園區(qū)內(nèi)部各系統(tǒng)(即本地集群控制中心)下發(fā)本地能源網(wǎng)絡(luò)與上一級能源網(wǎng)絡(luò)之間的功率交換計劃等，促進工業(yè)園區(qū)各部門集群協(xié)調(diào)運行，保障工業(yè)園區(qū)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)安全[10-12]。

2.2.2本地集群控制系統(tǒng)

本地集群控制系統(tǒng)的主要作用，是監(jiān)視氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)各部門工作狀態(tài)，分析底層能源分配需求并協(xié)助底層部門與上層傳遞功率交換計劃。通過預(yù)測底層各部門的能量消納能力，確保上層系統(tǒng)輸出的各項指令能夠恰好滿足底層各部門需求的同時不造成能源浪費。

2.2.3本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)

本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)基本是以圖1所示的氫儲能電熱氣耦合作業(yè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在融合了工業(yè)園區(qū)各底層部門電熱氣消納水平以后構(gòu)建所得。本地電熱多能耦合系統(tǒng)擁有專屬于自己的系統(tǒng)總控層，可以對各部門電熱氣消納情況進行統(tǒng)一匯總，在中層系統(tǒng)指令下開展系統(tǒng)優(yōu)化、輔助決策以及請求援助。本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)能源消納最大化的重要環(huán)節(jié)。

3 案例分析

3.1 案例簡介

本文選取國內(nèi)某工業(yè)園區(qū)為研究對象，對該園區(qū)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化前后的能源系統(tǒng)消納情況進行分析。該園區(qū)原始最大失電、失熱比例等參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化前能源消納情況Tab.1 Energy consumption before optimization

按照我國相關(guān)政策，工業(yè)園區(qū)失負(fù)荷懲罰單價為實時電價的10倍；棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)為0.2元/(kW·h)。該園區(qū)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化前，春秋2季的能源負(fù)荷消納情況均較為理想；夏季的熱負(fù)荷低而電負(fù)荷高；冬季的電負(fù)荷低而熱負(fù)荷高。在一年當(dāng)中冬季的清潔能源較另外2個季節(jié)更為均衡[13-15]。根據(jù)該園區(qū)日常數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況結(jié)合上述分析，得到該園區(qū)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化前春夏秋冬清潔能源滲透率和熱電負(fù)荷比例，結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前清潔能源滲透率和熱電負(fù)荷比例Tab.2 Clean energy permeability and thermoelectricload ratio before optimization

清潔能源滲透率=清潔能源總出力/總電負(fù)荷量之比×100%；

熱電負(fù)荷比例=總熱負(fù)荷/總電負(fù)荷之比×100%。

由于該系統(tǒng)的光伏、風(fēng)能系統(tǒng)基本作業(yè)穩(wěn)定并沒有明顯的優(yōu)化特征。因此，該系統(tǒng)中清潔能源滲透率越高，表明氫儲能系統(tǒng)在工業(yè)園區(qū)電熱氣耦合系統(tǒng)中的作用越明顯。熱電負(fù)荷比例越高，則表明該系統(tǒng)中的多余熱量利用率越高，對外部電網(wǎng)的依賴程度越低。

3.2 優(yōu)化前后對比

表3所示為該園區(qū)優(yōu)化前常規(guī)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)儲能成本與優(yōu)化之后的對比情況。

表3 優(yōu)化配置前后各項成本對比Tab.3 Comparison of costs before and afteroptimized configuration 萬元

由表3可知，從指標(biāo)分項來看，除年化投資成本因系統(tǒng)更新而帶來小幅提升以外，其余各指標(biāo)均明顯下降。其中運行懲罰成本的下降幅度達(dá)到了98.5%；總成本優(yōu)化前后下降幅度也較為明顯，達(dá)到了16.9%?？梢姡瑥淖罱K的電熱氣耦合系統(tǒng)儲能成本角度來看，優(yōu)化以后的耦合系統(tǒng)能夠顯著降低園區(qū)最終的運行成本。

4 結(jié)語

氫儲能系統(tǒng)盡管可以利用氫能源降低工業(yè)園區(qū)對傳統(tǒng)電能、天然氣能的依賴，但由于氫燃料電池自身工作的特殊性，在發(fā)電的同時造成較大的熱量損失。若不能對這部分熱量進行良好利用，氫儲能系統(tǒng)往往無法完全發(fā)揮氫這一清潔能源的完全優(yōu)勢。本文基于傳統(tǒng)的氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)進行優(yōu)化，在充分引入廣域協(xié)調(diào)、分層遞階控制的原理的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)氫儲能電熱氣耦合系統(tǒng)進行了改良。改良以后的系統(tǒng)能夠全面實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)各項成本和總成本的降低，具有較好的實際應(yīng)用價值。