基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)氫需求預(yù)測(cè)與綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置研究

周專(zhuān)，苗帥，邊家瑜，袁鐵江

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，烏魯木齊 830011；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

0 引言

隨著“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，可再生能源裝機(jī)容量不斷提升。由于風(fēng)光消納能力不足，新疆地區(qū)新能源的棄電率遠(yuǎn)高于全國(guó)的平均水平[1]。氫能作為具有大規(guī)模存儲(chǔ)特性的清潔能源，將在工業(yè)、交通、電力和建筑供熱等領(lǐng)域發(fā)揮重大的作用，通過(guò)可再生能源發(fā)電所得的綠氫，將作為新興能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，實(shí)現(xiàn)能源的綜合協(xié)調(diào)利用[2]。

目前，在氫負(fù)荷的預(yù)測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一定研究。文獻(xiàn)[3]根據(jù)交通流量數(shù)據(jù)和期望的車(chē)輛加氫概率，基于K 最鄰近和支持向量機(jī)方法對(duì)交通領(lǐng)域的氫需求量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[4]考慮到政策支持和經(jīng)濟(jì)投入對(duì)交通領(lǐng)域氫能需求的影響，基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法分析相關(guān)影響因素，預(yù)測(cè)了交通領(lǐng)域的氫能需求。文獻(xiàn)[5]將小波變換方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，精準(zhǔn)模擬交通流情況，考慮到充電服務(wù)限制和駕駛員行為，對(duì)汽車(chē)的充能需求進(jìn)行預(yù)測(cè)。以上文獻(xiàn)集中于對(duì)交通領(lǐng)域中氫燃料汽車(chē)對(duì)氫能的需求，針對(duì)某一地區(qū)多個(gè)領(lǐng)域的氫能需求預(yù)測(cè)較少。由于預(yù)測(cè)多個(gè)領(lǐng)域的氫能需求需要考慮各種因素，并且氫能技術(shù)在許多領(lǐng)域還處于新興階段，這增加了預(yù)測(cè)的復(fù)雜性和不確定性。而系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性，考慮到系統(tǒng)的各個(gè)影響因素和它們之間的相互作用，從而更好地模擬系統(tǒng)行為，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)多領(lǐng)域下的氫能需求變化[6]。

隨著氫能需求得以預(yù)測(cè)，需要對(duì)制氫、儲(chǔ)氫以及運(yùn)氫基礎(chǔ)設(shè)備的容量進(jìn)行重新配置，在容量配置過(guò)程中綜合考慮技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素，確保效益最大化，是系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵所在。文獻(xiàn)[7]以總凈現(xiàn)值成本最小為目標(biāo)，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，得到了風(fēng)/光/儲(chǔ)并網(wǎng)型微電網(wǎng)容量最優(yōu)配置。文獻(xiàn)[8]以微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和低碳性綜合最優(yōu)為目標(biāo)，考慮到氫儲(chǔ)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效率，通過(guò)隸屬度分析法給出了包含風(fēng)光、氫儲(chǔ)能、超級(jí)電容的微網(wǎng)規(guī)劃方案。文獻(xiàn)[9]考慮到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性和棄風(fēng)率，采用動(dòng)態(tài)權(quán)重的改進(jìn)貓群算法對(duì)電解槽、燃料電池和儲(chǔ)氫罐的容量進(jìn)行了優(yōu)化配置?，F(xiàn)有對(duì)氫能系統(tǒng)的研究鮮有考慮氫能對(duì)電力系統(tǒng)供需的平衡作用，對(duì)多領(lǐng)域氫能應(yīng)用下的最優(yōu)配置研究較少。

綜上所述，對(duì)未來(lái)社會(huì)中氫能在工業(yè)、交通、電力、供熱領(lǐng)域的相關(guān)影響因素進(jìn)行深入分析，通過(guò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)多領(lǐng)域下的氫能需求，基于氫負(fù)荷水平建立氫能系統(tǒng)，構(gòu)建包括投資成本、運(yùn)維成本和置換成本的以?xún)衄F(xiàn)值最低為目標(biāo)的容量?jī)?yōu)化配置模型。以新疆地區(qū)為例，預(yù)測(cè)其多領(lǐng)域下的氫能需求，得到氫能系統(tǒng)中各設(shè)備的配置容量以及成本情況。

1 多領(lǐng)域氫負(fù)荷預(yù)測(cè)及等效電負(fù)荷模型

風(fēng)/光發(fā)電通過(guò)電力轉(zhuǎn)換設(shè)備與電網(wǎng)集成，滿足工業(yè)、交通、電力和供熱領(lǐng)域的氫能需求。當(dāng)可再生能源供應(yīng)不足或氫儲(chǔ)能容量達(dá)到峰值時(shí)，多余的氫能可通過(guò)燃料電池系統(tǒng)發(fā)電，將其回饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全方位的能源協(xié)同利用。這種綜合能源系統(tǒng)充分發(fā)揮了電和氫在各個(gè)領(lǐng)域之間的互補(bǔ)特性，有效協(xié)調(diào)電源與負(fù)荷之間的平衡。典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括工業(yè)領(lǐng)域，如鋼鐵的清潔冶煉和甲醇生產(chǎn)；交通領(lǐng)域，如氫燃料汽車(chē)、重型卡車(chē)和公共汽車(chē)的氫能替代；電力領(lǐng)域以氫燃料電池發(fā)電為主；供熱領(lǐng)域以天然氣管道摻氫為主。綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1，通過(guò)可再生能源和氫能技術(shù)的相互作用，以滿足多領(lǐng)域的能源需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和可持續(xù)發(fā)展[10]。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of integrated energy system

1.1 多領(lǐng)域氫負(fù)荷預(yù)測(cè)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的核心在于考察系統(tǒng)內(nèi)因素之間的相互作用，并假定外部環(huán)境變化不會(huì)在本質(zhì)上改變系統(tǒng)行為。終端應(yīng)用領(lǐng)域的氫能需求中，多方面復(fù)雜因素如政策、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保等制約了其發(fā)展，因此模型聚焦關(guān)鍵內(nèi)部因素，排除外部界限以提高模型的精確性[11]。地區(qū)生產(chǎn)總值和總?cè)丝诘淖兓绊懼鱾€(gè)領(lǐng)域的投資情況和對(duì)能源的需求程度，故將其作為輸入。不同領(lǐng)域的氫能需求會(huì)刺激氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，將工業(yè)、交通、電力和供熱的氫能需求作為輸出，將模型的時(shí)間邊界設(shè)定為2016～2050年，得到多領(lǐng)域氫負(fù)荷預(yù)測(cè)的因果關(guān)系圖見(jiàn)圖2。圖中的“+”表示因素之間存在積極作用，“-”表示因素之間具有消極作用。

圖2 多領(lǐng)域氫負(fù)荷預(yù)測(cè)的因果關(guān)系圖Fig.2 Causality diagram of multi-domain hydrogen load forecasting

篩選出關(guān)鍵因素后，對(duì)多領(lǐng)域氫負(fù)荷預(yù)測(cè)進(jìn)行建模。具體將多領(lǐng)域氫負(fù)荷預(yù)測(cè)模型分為工業(yè)子系統(tǒng)、交通子系統(tǒng)、電力子系統(tǒng)、供熱子系統(tǒng)和氫能子系統(tǒng)這5 個(gè)子系統(tǒng)。

1）工業(yè)子系統(tǒng)

鋼鐵產(chǎn)業(yè)和煤化工產(chǎn)業(yè)作為工業(yè)領(lǐng)域的兩大支柱性產(chǎn)業(yè)，通過(guò)氫能實(shí)現(xiàn)其綠色轉(zhuǎn)型可以大幅降低工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，減少資源消耗和提高能源利用效率。鋼鐵產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型主要考慮到城鎮(zhèn)化率、人均鋼鐵量、廢鋼量對(duì)鋼鐵產(chǎn)量的影響[12]，城鎮(zhèn)化率和鋼鐵投資會(huì)影響生鐵產(chǎn)量的變化，城鎮(zhèn)化率越高、鋼鐵投資越多，生鐵產(chǎn)量會(huì)越高，其主要方程式為

式中：sUR、PTO、S(t)分別為城鎮(zhèn)化率、城鎮(zhèn)人口、總?cè)丝?；SPI(t)、SPS、SSI、a1分別為生鐵增量、人均鋼鐵量、鋼鐵投資、回歸擬合常數(shù)；SSO、(t)、rSO分別為鋼鐵產(chǎn)量、粗鋼產(chǎn)量、鋼鐵轉(zhuǎn)化系數(shù)；(t)、SSI(t)、SDS(t)分別為鋼鐵總存量、鋼鐵年增量、折舊廢鋼量。

煤氣化技術(shù)是煤化工產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵，在合成氣凈化過(guò)程中，最大程度地回收并重復(fù)使用污染物，從而顯著減少溫室氣體排放。技術(shù)的不斷改進(jìn)會(huì)提升其發(fā)電效率，降低對(duì)煤炭的消耗量；氫氣發(fā)電量的增加會(huì)降低碳排放，帶來(lái)相應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[13]，其主要方程式為

式中：CHF、CHZ、hHL分別為火電發(fā)電量、火電裝機(jī)容量、火電利用小時(shí)數(shù)；CGD、CGL、CGJ分別為供電產(chǎn)值、供電量、供電價(jià)格；C(t)、CMZ(t)、rMZ分別為煤炭消耗量、煤炭消耗增量、煤炭折標(biāo)系數(shù)；CTJ、CTP、CCS分別為碳排放減少量、碳排放量、碳排放處理水平。

2）交通子系統(tǒng)

經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)會(huì)增加對(duì)交通行業(yè)的投資，導(dǎo)致各種交通工具保有量和出行量的增加。在新能源政策激勵(lì)以及交通投資的資金支持下，氫燃料汽車(chē)、氫能源公共汽車(chē)和氫能源重型卡車(chē)的數(shù)量會(huì)越來(lái)越多，對(duì)氫能的需求也大幅增加，其主要方程式為

3）供熱子系統(tǒng)

與新建氫氣管道相比，天然氣管網(wǎng)更為成熟，將氫氣混入天然氣管網(wǎng)用于城市供熱可顯著削減供熱成本?；旌蠚怏w的熱值變化會(huì)影響熱能需求，從而減少天然氣的消耗，降低碳排放，提高綜合效益[14]，其主要方程式為

式中：HGR、γ、RHQ分別為供熱氫需求量、摻氫比例、混合氣體量；RRZ、RHR分別為熱值、混合其他熱值；RXF、RNY、kTX分別為天然氣消費(fèi)量、能源消費(fèi)總量、天然氣消費(fèi)占比；RTR、RTP分別為天然氣需求量、天然氣用氣人口；a2、a3、a4為擬合常數(shù)。

4）電力子系統(tǒng)

氫能在電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方面仍處于示范階段，目前主要采用氫燃料電池發(fā)電。使用氫能發(fā)電技術(shù)能夠減少對(duì)煤炭的依賴(lài)，削減CO2排放，從而實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)化[15]，其主要方程式為

式中：ESH、ERJ、EDX、ESC分別為生活用電量、人均用電量、電力消費(fèi)量、生產(chǎn)用電量；EQD、EFD、HDL、EQF、EHD分別為缺電量、發(fā)電量、電力氫需求量、氫能電站發(fā)電量、氫電轉(zhuǎn)化系數(shù)。

5）氫能子系統(tǒng)

隨著綠氫投資的增加，可再生能源制氫技術(shù)將得到升級(jí)和優(yōu)化，從而降低制氫成本。技術(shù)升級(jí)將對(duì)氫能供需產(chǎn)生影響，隨著制氫成本的降低，售氫價(jià)格也會(huì)降低，進(jìn)而刺激氫能需求的增長(zhǎng)，通過(guò)售氫所獲得的利潤(rùn)可以繼續(xù)促進(jìn)制氫技術(shù)的優(yōu)化[16]，其主要方程式為

1.2 等效電負(fù)荷模型

氫需求預(yù)測(cè)結(jié)果將被轉(zhuǎn)化為等效電負(fù)荷數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)的容量配置。在交通系統(tǒng)中，氫燃料電池汽車(chē)的加氫模式與傳統(tǒng)燃料汽車(chē)相似，具有周期性，并且每天都呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)。每周內(nèi)，每小時(shí)的氫需求比率可參考文獻(xiàn)[17]。如果不考慮季節(jié)變化，那么交通領(lǐng)域的氫需求量等于年平均需求量，因此交通用氫的等效電負(fù)荷公式為

式中，DJT、kJT、ηAE分別為交通氫能等效電負(fù)荷、交通氫負(fù)荷比率、電解槽制氫效率。

供熱系統(tǒng)中的氫需求量等于城市天然氣供熱的摻氫量，與城市天然氣用氣量的波動(dòng)方式相似，每日用氣量比率可參考文獻(xiàn)[18]?？紤]到供熱需求的季節(jié)性特點(diǎn)，設(shè)定夏季氫負(fù)荷減少20%，冬季增加20%，而春秋季則等于年平均需求量。以春秋季為例，供熱用氫的等效電負(fù)荷公式

式中，DGR、kGR分別為供熱氫能等效電負(fù)荷、供熱氫負(fù)荷比率。

工業(yè)領(lǐng)域的氫需求量包括鋼鐵清潔冶煉和煤化工生產(chǎn)甲醇等工業(yè)過(guò)程的總需氫量。電力領(lǐng)域主要考慮到氫燃料電池發(fā)電技術(shù)，氫能發(fā)電和工業(yè)生產(chǎn)具有一定的靈活性，其等效電負(fù)荷波動(dòng)模式可遵循正態(tài)分布[19]，公式為

式中，DGY、DGL分別為工業(yè)氫能等效電負(fù)荷、電力氫能等效電負(fù)荷。

2 氫綜合能源系統(tǒng)容量配置建模

本文考慮到綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，以?xún)衄F(xiàn)總成本最低為目標(biāo)，構(gòu)建計(jì)及多領(lǐng)域用氫需求的綜合能源系統(tǒng)容量配置模型，并基于HOMER軟件進(jìn)行求解，確定系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組、氫燃料電池等設(shè)備的最優(yōu)配置容量。

2.1 主要設(shè)備模型

1）風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前風(fēng)能利用的主要方式，風(fēng)機(jī)的出力與風(fēng)速、風(fēng)輪面積、輪轂高度等多個(gè)因素均有關(guān)，其關(guān)系可以簡(jiǎn)化為

式中，PWT(t)、、vQR、vQC、vr分別為t時(shí)刻風(fēng)機(jī)出力功率、風(fēng)機(jī)出力額定功率、風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速、風(fēng)機(jī)切出風(fēng)速、風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速。

2）光伏模型

光伏陣列將光能轉(zhuǎn)化為電能，其輸出功率與光照強(qiáng)度、氣象條件、環(huán)境溫度等密切相關(guān)，具有很強(qiáng)的非線性，出力模型為

式中，PPV(t)、fPV、、GGQ、、k、Tgs、Tr分別為t時(shí)刻光伏出力功率、光伏陣列的降額因數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)條件下的光伏額定功率、光照強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)條件下的光照強(qiáng)度、光伏功率溫度系數(shù)、光伏電池板實(shí)際溫度、光伏電池板額定溫度。

3）電解槽模型

電解槽會(huì)將過(guò)剩的風(fēng)光轉(zhuǎn)化為氫氣，堿性電解槽是目前應(yīng)用最廣泛的電解制氫技術(shù)，其輸出模型為

式中，PH2(t)、PEZ(t)分別為t時(shí)刻堿性電解槽產(chǎn)氫功率、t時(shí)刻電解槽輸入的電功率。

4）燃料電池模型

燃料電池采用質(zhì)子交換膜燃料電池，其運(yùn)行功率為額定功率的0～100%，其輸出模型為

式中，PFC(t)、HFC(t)、ηFC、HHLV分別為質(zhì)子交換膜燃料電池的實(shí)時(shí)功率、實(shí)時(shí)耗氫量、發(fā)電效率、氫的低拉熱值。

5）儲(chǔ)氫罐模型

高壓存儲(chǔ)的儲(chǔ)存和釋放氫氣的速度快、成本低，適用于大規(guī)模存儲(chǔ)，應(yīng)用最為廣泛，其模型為

式中，TRC(t)、TRC(t-1)、ηRI、ηRO、PRO(t)、SOHC(t)、分別為t時(shí)刻儲(chǔ)氫罐剩余容量、t-1 時(shí)刻儲(chǔ)氫罐剩余容量、儲(chǔ)氫罐充能效率、放能效率、t時(shí)刻儲(chǔ)氫罐放能功率、荷電狀態(tài)、額定容量。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

氫能系統(tǒng)以?xún)衄F(xiàn)值為目標(biāo)，將系統(tǒng)運(yùn)行周期內(nèi)的支出成本和所得收益按照利率年平均化后進(jìn)行折算，得到凈現(xiàn)總成本。支出的成本包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列和氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本、運(yùn)維成本以及置換成本。獲得的收益包括系統(tǒng)運(yùn)行周期結(jié)束后各個(gè)設(shè)備的殘余價(jià)值[20-21]，凈現(xiàn)值總成本公式為

式中，MJX、MPJ、CRF、r、MYX分別為凈現(xiàn)總成本、支出成本和獲得收益的折算值、資金回收系數(shù)、實(shí)際年利率、系統(tǒng)運(yùn)行年限。

式中，MTZ、MYW、MZH分別為年投資成本、年運(yùn)維成本、年置換成本。

式中，mi,TZ、、mi,YW分別為第i種設(shè)備的單位容量投資成本、第i種設(shè)備的額定容量、第i種設(shè)備的單位容量運(yùn)維成本；mi,ZH、ki,ZH、SFF、Mi,SY、MS分別為第i種設(shè)備的單位容量置換成本、置換比例系數(shù)、償債基金系數(shù)、第i種設(shè)備的使用壽命、設(shè)備殘值。

式中，Mi,GH、INT、Mi,SY分別為第i種設(shè)備的更換年限、取整符號(hào)、第i種設(shè)備在系統(tǒng)運(yùn)行周期結(jié)束后剩余的使用壽命。

2.3 約束條件

1）設(shè)備運(yùn)行約束為

式中，PLOAD（t）為用戶用能負(fù)荷。

2）氫儲(chǔ)能約束

3）負(fù)荷缺電率約束

式中，PFQ、PFQ_LOAD(t)、分別為負(fù)荷缺電率、t時(shí)刻缺電負(fù)荷功率、最大負(fù)荷缺電率。

3 算例分析

3.1 多領(lǐng)域氫能需求預(yù)測(cè)

本文以新疆地區(qū)為例，根據(jù)上述變量的結(jié)構(gòu)方程，使用Vensim 軟件模擬新疆地區(qū)在2016 年到2050 年間多領(lǐng)域的氫能發(fā)展趨勢(shì)。其中將2016～2021 年的數(shù)據(jù)用于模型的檢驗(yàn)，將2022～2050 年的數(shù)據(jù)用于多領(lǐng)域預(yù)測(cè)，積分步長(zhǎng)為1 年。結(jié)合《新疆省統(tǒng)計(jì)年鑒》和因果回路圖中相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)參數(shù)的描述，多領(lǐng)域氫負(fù)荷預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 關(guān)鍵參數(shù)初始值Table 1 Initial values of key parameters

為了確保模型的合理性和準(zhǔn)確性，在開(kāi)始預(yù)測(cè)之前，必須進(jìn)行歷史性檢驗(yàn)以驗(yàn)證模型是否能夠準(zhǔn)確地反映過(guò)去的現(xiàn)實(shí)情況。本文選取地區(qū)生產(chǎn)總值、家用汽車(chē)保有量、鋼材產(chǎn)量、電力消費(fèi)量、天然氣供應(yīng)量的仿真模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)誤差檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 模型歷史性檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Historical test results of the model

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析各個(gè)變量的模擬值可得，2017～2021 年新疆的地區(qū)生產(chǎn)總值、家用汽車(chē)保有量、鋼材產(chǎn)量、電力消費(fèi)量、天然氣供應(yīng)量的相對(duì)誤差均在4%以?xún)?nèi)，由此可得所建立的模型具有較高的精確度，通過(guò)有效性檢驗(yàn)，可得使用該模型對(duì)工業(yè)、交通、電力、供熱多領(lǐng)域的氫能發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行模擬仿真預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的。

通過(guò)有效性檢驗(yàn)，已驗(yàn)證構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性?；谶@一驗(yàn)證，可以進(jìn)行多領(lǐng)域下的氫能需求預(yù)測(cè)。圖3 為交通領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域的氫能需求變化，從圖中可得，到2030 年交通領(lǐng)域的氫能需求為7.09 萬(wàn)噸、工業(yè)領(lǐng)域的氫能需求為25.38 萬(wàn)噸，受限于電制氫技術(shù)早期成本較高，氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緩慢且規(guī)模較?。坏?050 年交通領(lǐng)域的氫能需求為73.32 萬(wàn)噸、工業(yè)領(lǐng)域的氫能需求為82.45 萬(wàn)噸，隨著氫能技術(shù)的不斷發(fā)展，氫燃料電池和氫氣生產(chǎn)效率的不斷提高，交通領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域作為碳排放的主要來(lái)源，依靠氫能進(jìn)行綠色轉(zhuǎn)型，以實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展。

圖3 交通、工業(yè)領(lǐng)域的氫能需求Fig.3 Hydrogen demand in transportation and industry

隨著綠氫技術(shù)的不斷升級(jí)，綠氫作為清潔高效的二次能源，將助力電力領(lǐng)域和供熱領(lǐng)域的節(jié)能減碳。圖4 為電力領(lǐng)域和供熱領(lǐng)域的氫能需求變化，從圖中可得，到2030 年供熱領(lǐng)域的氫能需求為1.38 萬(wàn)噸、電力領(lǐng)域的氫能需求為1.56 萬(wàn)噸；到2050 年供熱領(lǐng)域的氫能需求為4.2 萬(wàn)噸、電力領(lǐng)域的氫能需求為4.71 萬(wàn)噸。在供熱領(lǐng)域中隨著天然氣摻氫占比的提升，可降低對(duì)天然氣的依賴(lài)，保證能源的充足供應(yīng)；隨著氫燃料電池發(fā)電技術(shù)的不斷升級(jí)，使得氫能參與電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的應(yīng)用越來(lái)越多，氫發(fā)電占比的提升在滿足系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)和供電可靠性的同時(shí)減少了對(duì)煤炭的使用，大幅降低了碳排放。

圖4 供熱、電力領(lǐng)域的氫能需求Fig.4 Hydrogen demand in heating and power sector

結(jié)合上述對(duì)工業(yè)、交通、電力、供熱領(lǐng)域氫能需求變化趨勢(shì)的分析可得，在2030 年之前，氫能主要作為工業(yè)的生產(chǎn)原料，應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上，這是工業(yè)領(lǐng)域在氫能發(fā)展初期氫能占比最大的主要原因。隨著氫能產(chǎn)業(yè)政策的不斷完善，各種以氫能為動(dòng)力的交通工具會(huì)迅速增加，氫發(fā)電和天然氣摻氫的占比也會(huì)越來(lái)越大，綠氫將實(shí)現(xiàn)在電力、交通、建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，氫能需求會(huì)得到大幅度增長(zhǎng)。

3.2 綜合能源系統(tǒng)的容量配置

氫能需求的特性直接影響系統(tǒng)容量的配置，基于2050 年的氫負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)各領(lǐng)域的用氫特性進(jìn)行分析：由于工業(yè)領(lǐng)域?qū)淠艿男枨筝^為平穩(wěn)，相鄰每小時(shí)氫負(fù)荷波動(dòng)不超過(guò)5%，據(jù)此隨機(jī)生成1 條工業(yè)領(lǐng)域氫負(fù)荷曲線；根據(jù)供熱領(lǐng)域的累計(jì)數(shù)據(jù)集，新疆地區(qū)的日用氣量主要有2 個(gè)高峰期：08：00～13：00 和14：00～20：00；交通領(lǐng)域的氫負(fù)荷曲線受人們的日常出行影響，日加氫量高峰期主要集中在08：00～20：00，電力領(lǐng)域的需求曲線與工業(yè)領(lǐng)域基本一致，其等效電負(fù)荷曲線如圖5 所示。

圖5 氫等效電負(fù)荷曲線Fig.5 Hydrogen equivalent electrical load curve

3.2.1 不同風(fēng)光類(lèi)型下的配置結(jié)果

風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電均可以滿足負(fù)荷需求，為探究不同類(lèi)型的可再生能源出力對(duì)系統(tǒng)配置結(jié)果的影響，設(shè)置僅風(fēng)力發(fā)電、僅光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電混合出力3 個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行仿真。不同風(fēng)光類(lèi)型下的配置結(jié)果見(jiàn)表3，對(duì)應(yīng)全壽命周成本分析見(jiàn)圖6。

表3 不同風(fēng)光類(lèi)型下的配置結(jié)果Table 3 Configuration results under different scenery types

圖6 不同新能源類(lèi)型配置下的綜合成本分析Fig.6 Comprehensive cost analysis under different types of new energy configuration

由表3 和圖6 可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列共同出力下的配置結(jié)果，即由70 000 MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、37 500 MW 的光伏陣列、30 000 MW 的電解槽、150 000 t的儲(chǔ)氫罐、15 000 MW 的氫燃料電池和21 700 MW 的變流器構(gòu)成的混合風(fēng)光出力系統(tǒng)，是滿足所在地區(qū)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)系統(tǒng)。與只有風(fēng)機(jī)出力和只有光伏出力的系統(tǒng)相比，凈現(xiàn)總成本分別降低了12.1%、15.2%。其主要因?yàn)轱L(fēng)機(jī)在夜晚出力占比多，光伏陣列主要在白天出力，兩者之間形成互補(bǔ)，使系統(tǒng)配置較小的風(fēng)光和氫能系統(tǒng)容量就可以很好的滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。

3.2.2 不同綠氫滲透下的配置結(jié)果

綜合能源系統(tǒng)的配置容量應(yīng)根據(jù)負(fù)荷需求的不同，進(jìn)行精確的配置規(guī)劃，以保障能源供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。為探究不同綠氫滲透下的氫負(fù)荷需求對(duì)系統(tǒng)配置結(jié)果的影響，將氫負(fù)荷設(shè)置為預(yù)測(cè)氫負(fù)荷的0.5～3 倍，間隔為0.5 倍。不同氫負(fù)荷需求下的容量配置結(jié)果如圖7。

圖7 不同氫負(fù)荷需求下的容量配置結(jié)果Fig.7 Capacity configuration results under different hydrogen load requirements

由圖7 可得，隨著氫負(fù)荷從預(yù)測(cè)氫負(fù)荷的0.5 倍增長(zhǎng)到3 倍時(shí)，風(fēng)光裝機(jī)規(guī)模隨著氫負(fù)荷的增加呈現(xiàn)著上升趨勢(shì)，氫燃料電池的裝機(jī)規(guī)模在緩慢增加，其裝機(jī)占比從11.93%增長(zhǎng)至13.87%。這表明在目前的風(fēng)光機(jī)組和氫燃料電池建設(shè)成本之下，隨著終端負(fù)荷的快速上升，風(fēng)光機(jī)組的綜合配置仍是保持經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的配置結(jié)構(gòu)。隨著未來(lái)氫能產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，氫能的規(guī)模化生產(chǎn)及供應(yīng)鏈會(huì)不斷優(yōu)化，當(dāng)氫燃料電池的生產(chǎn)成本更低時(shí)，氫燃料電池的裝機(jī)占比會(huì)越來(lái)越高。

3.2.3 不同風(fēng)光占比下的配置結(jié)果

在風(fēng)光最優(yōu)配置條件下，風(fēng)光發(fā)電能夠滿足全年大部分負(fù)荷需求，氫燃料電池的總發(fā)電量較小，主要是起到輔助調(diào)峰的作用。表4 為不同風(fēng)光占比下的配置結(jié)果，不同風(fēng)光占比下發(fā)電量及綜合成本變化見(jiàn)圖8。

表4 不同風(fēng)光占比下的配置結(jié)果Table 4 Configuration results under different proportions of scenery

圖8 不同風(fēng)光占比下發(fā)電量及綜合成本變化Fig.8 Changes in power generation and comprehensive cost under different proportions of wind and solar power

由圖8 可知，隨著風(fēng)電機(jī)組和光伏機(jī)組的裝機(jī)容量增加，氫燃料電池的配置容量一直保持不變，其作用主要是保證負(fù)荷用電高峰的供給。隨著風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列的變化，風(fēng)光出力逐漸增大，供給負(fù)荷電量在總負(fù)荷電量需求中的占比越來(lái)越大，氫燃料電池發(fā)電占比隨之降低。隨著風(fēng)電和光伏機(jī)組的增加，電源部分的成本隨之增大，氫能設(shè)備的配置容量減小，成本隨之降低，但系統(tǒng)的凈現(xiàn)總成本在風(fēng)光占比為57.1% 和30.6% 時(shí)達(dá)到最小值。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列的配置容量過(guò)大時(shí)，氫能設(shè)備的容量減小，但由于風(fēng)機(jī)主要在夜晚出力，與負(fù)荷需求曲線不匹配，這導(dǎo)致氫能設(shè)備容量變化較小，系統(tǒng)的凈現(xiàn)總成本隨著風(fēng)機(jī)數(shù)的增加不斷增大；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列的配置容量過(guò)小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)選擇增大電解槽、儲(chǔ)氫罐、氫燃料電池的容量以保證負(fù)荷的可靠供給，此時(shí)氫能設(shè)備所增加的成本遠(yuǎn)大于風(fēng)光機(jī)組容量變小所減少的費(fèi)用，系統(tǒng)的凈現(xiàn)總成本隨著風(fēng)機(jī)數(shù)的減小不斷增大。在滿足負(fù)荷需求過(guò)程中，持續(xù)增大、減小電源部分或者氫能系統(tǒng)的容量均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加。

4 結(jié)語(yǔ)

氫能將工業(yè)、交通、電力、供熱領(lǐng)域統(tǒng)合在一起，為綜合能源系統(tǒng)的節(jié)能減排提供了新途徑。綜合能源系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展需要精確的氫負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，精確的氫負(fù)荷預(yù)測(cè)不僅對(duì)未來(lái)社會(huì)的工業(yè)、交通、電力、供熱領(lǐng)域的綠色轉(zhuǎn)型至關(guān)重要，同時(shí)也為氫能系統(tǒng)的容量配置提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此，本文對(duì)多領(lǐng)域氫負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)并提出容量配置方案，主要結(jié)論如下：

1）在氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初期，由于氫能作為生產(chǎn)原料得到了工業(yè)生產(chǎn)的大量使用，使得工業(yè)領(lǐng)域是初期氫能需求的主要來(lái)源。隨著氫燃料電池技術(shù)的改進(jìn)和制氫成本的不斷降低，以氫能為動(dòng)力的交通工具會(huì)迅速增加，氫發(fā)電和天然氣摻氫的占比也會(huì)越來(lái)越大，氫能將推動(dòng)工業(yè)、交通、電力和供熱領(lǐng)域向可持續(xù)的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，有效減少能源依賴(lài)，提高能源供應(yīng)的可靠性；

2）風(fēng)力和光伏發(fā)電均可以滿足終端需求，通過(guò)對(duì)比不同風(fēng)光類(lèi)型下的全壽命周期成本，表明風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列共同出力的系統(tǒng)與只有風(fēng)機(jī)出力和只有光伏出力的系統(tǒng)相比，凈現(xiàn)總成本分別降低了12.1%、15.2%，由此可得夜晚以風(fēng)機(jī)出力為主，白天以光伏陣列出力為主的互補(bǔ)系統(tǒng)，是滿足終端用氫需求的最優(yōu)配置結(jié)果；

3）當(dāng)氫負(fù)荷快速上升時(shí)，風(fēng)光機(jī)組綜合配置仍是保持經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的配置結(jié)構(gòu)；在風(fēng)光最優(yōu)配置條件下，風(fēng)光發(fā)電能夠滿足全年大部分負(fù)荷需求，氫燃料電池的總發(fā)電量較小，主要起到輔助調(diào)峰的作用。在滿足負(fù)荷需求過(guò)程中，持續(xù)增大、減小電源部分或氫能系統(tǒng)的容量均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加。