考虑电转甲醇技术的园区级综合能源系统优化配置研究.pdf

NO.112023节能 ENERGYCONSERVATION78鬼问题探讨考虑电转甲醇技术的园区级综合能源系统优化配置研究王金龙（国网西藏电力有限公司那曲供电公司，西藏那曲8 50 0 10)摘要：为了应对二氧化碳排放以及可再生能源消纳的问题，提出一种考虑电转甲醇技术的园区级综合能源系统。首先概述综合能源系统及各种设备的运行机制；其次基于系统中的设备工作原理构建稳态模型；最后在园区的规划设计阶段，以系统总成本最小为目标进行配置优化，通过混合整数的线性规划方法得到了考虑电转甲醇技术的园区级综合能源系统的设备容量配置结果。关键词：电转甲醇技术；园区级综合能源系统；配置优化中图分类号：TM73文献标志码：A文章编号：10 0 4-7 9 48（2 0 2 3）11-0 0 7 8-0 3doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.11.022引言优化我国的能源结构、大力发展可再生能源、减少一次能源的使用和降低二氧化碳的排放已经成为我国走绿色发展道路的必然要求1-2 。目前，我国的能源结构仍以火力发电为主，火力发电带来的二氧化碳排放问题也变得日益严重，而基于可再生能源发电的新型能源系统可以助力碳减排，同时有利于存量火电机组的有序退出。综合能源系统(IES)融合先进的发电技术，采取高效的管理模式，整合规划区域内的煤炭、石油、天然气以及可再生资源等多种类型的资源，实现多异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济，在满足多元化用能需求的同时有效提升能源利用效率，进而促进能源可持续发展的新型一体化能源系统 3。电化工(P2X)技术是近些年来兴起的技术，旨在通过电解槽为核心的制氢系统，将电能先转化为氢气，再将转化后得到的氢气与其他原料结合，生成大宗的化工产品，如氨、甲烷、甲醇、汽油等4。将电化工技术与综合能源系统进行有机结合，可以更好解决二氧化碳排放和可再生能源消纳的问题 5。有关综合能源系统的构建，过往的一些学者对电转甲烷技术与综合能源系统的结合投入较多关注。相较于气态的甲烷产品，液态的甲醇产品在储存、运输以及化工应用方面具有更好的优势 7 。但是过往的研究中却较少有学者关注甲醇产品在能源系统中的应用。在借鉴电转甲烷技术的研究基础上，重新设计考虑电转甲醇技术的综合能源系统。新构建的综合能源系统将可再生能源的消纳以及二氧化碳排放的问题放在同一个框架下解决，促进了我国“双碳”目标的实现8。文中建立考虑电转甲醇技术的综合能源系统模型，以设备的机理模型为基础，对设备模型进行适当简化，以此构建混合整数线性规划问题(MILP)，以系统经济性最优为目标，获得考虑电转甲醇技术的园区级综合能源系统的优化配置结果。1系系统模型综合能源系统(IES)建模是后续系统规划设计的基础，基于稳态建模可以将多变量、非线性、强耦合的综合能源系统简化为易于求解的混合整数线性规划(MILP)问题。考虑电转甲醇技术的综合能源结构如图1所示。系统的能源供给侧主要有燃煤火力发电机组、光伏以及风力发电，系统的能源消耗侧包含电解槽设备、甲醇化设备、碳捕集设备以及用户负荷。甲醇光伏发电电力风力发电HCO,用户电解槽H，储罐市场火力发电站CO.储罐甲醇合成反应罐甲醇储罐图1考虑电转甲醇的综合能源结构基于某地区园区级发电厂，通过引入光伏、风力等可再生能源发电，对现有的园区能源系统进行绿色转型改造。光伏设备依靠太阳能光伏板将太阳能转化为电能，其输出功率受到太阳辐射强度的影响，白天尤其午间时段光照强度较大，光照充足，光伏出力较大；而在夜晚光照消失，光伏出力为零9。风力发电的原理是利用风的作者简介：王金龙（19 8 8 一），男，本科，工程师，研究方向电力营销。收稿日期：2 0 2 3-0 8-12引用本文：王金龙.考虑电转甲醇技术的园区级综合能源系统优化配置研究 J.节能，2 0 2 3，42(11)：7 8-8 0.NO.112023节能ENERGYCONSERVATION79问题探讨动能带动叶片的旋转，再将叶片旋转的机械能转化为电能，风速是影响风力发电量的关键因素 10 。为了促进碳减排效益，将火电机组排放的二氧化碳通过碳捕集设备进行捕集。捕集的二氧化碳与可再生能源电解水制取的氢气通过化学反应合成绿色燃料甲醇，生产的甲醇作为化工产品，可以通过售卖获得经济收益。白天可再生能源出力充足时，通过可再生能源大量电解制氢并合成甲醇，剩余的氢气存入氢气储罐；夜晚可再生能源出力不足时，火电机组作为电力来源（仅运行在功率安全下限），通过取用氢气储罐的氢气进行甲醇合成。电转甲醇技术的引入实现了能量在时空上的搬移作用，既能够促进可再生能源的稳定消纳，又能够将碳减排资源化利用，实现了环保性和经济性的双重效益。能源系统数学模型的建立参考文献 6 、文献 12 和文献 8 ，其中最为核心的电转甲醇过程是重点。P2M过程将火电机组产生的二氧化碳与电解槽电解的氢气合成液态的甲醇。EeL.=An.Vr(1)EcH,OH,=ACH,OH VcH,OH,(2)Ep2M,=EEL,+EcH;OH,(3)VcCH,OH.=OVCoM(4)式中：EEL,、E c H,O H,、E p 2 M,分别为电解槽、合成甲醇以及P2M过程的耗电功率；H、cH,OH一分别为电解槽产氢以及合成甲醇的耗电系数：V、V、分别为合成甲醇所需的氢气的量、合成甲醇所需要的二氧化碳的量以及最终该时刻甲醇的量；反应平衡系数。综合能源系统还包含风力发电、光伏发电等过程，为了便于求解，均简化成了类似于P2M的线性过程，模型较为简单。基于文献中所建立的模型，将多变量强耦合的设备非线性模型转化为易于求解的线性模型，为系统规划配置提供模型基础。综合能源系统以总成本最低为目标函数（包含投资成本、运维成本和碳税），基于能量守恒和物料守恒，并以设备运行功率上下限为约束条件，通过混合整数线性规划方法，获得该系统最优容量配置与运行调度方案。2优仿真分析选取西北地区某工业园区的气象数据，该地区风力和光伏资源充足，同时具备一个30 0 MW的燃煤火电机组，适合构建综合能源系统。对收集到的历史数据进行整合分类；为了在规划阶段更准确地描绘园区不同季节的调度情况，分别在四个季节内选取一个典型日作为代表，以此模拟四季的功率变化情况。仿真过程中涉及的技术经济参数参考文献 6 和文献 13，具体的气象数据和用电负荷数据参考文献 14。基于上述所建立的模型和假设，调用CPLEX商用求解器，优化得到该综合能源系统的设备容量配置结果。其中，风力发电16 13.0 9 kW，光伏发电19 7 7.8 8 kW，甲醇化设备13.7 3kW，电解槽49 9.6 8 kW，储氢罐452.38 m，储碳罐8 1.0 7 m。综合能源系统典型日能量调度结果如图2 所示。4个典型日内甲醇产品的合成趋势如图3所示。3000火力发电出力风力发电出力CCS耗电合成甲醇耗电光伏出力用电负荷电解槽耗电2.000M/率10000-1000-2000-3000102030405060708090100时间h图2综合能源系统典型日能量调度结果50元40302010102030405060)708090100时间/图34个典型日内甲醇产品的合成趋势综合能源系统的调度结果通常基于优化配置结果得到，系统中各设备的最优容量配置确定后，会根据度电成本的水平，选择更加经济的功率分配策略，以此满足最终的能量供需平衡。根据图2 所示的综合能源系统的调度结果，火电机组的出力峰值与用电负荷的峰值具有反向调峰特性，在用电的高峰期，系统会优先选择光伏发电和风力发电。一方面是与传统的火力发电相比，新能源发电的单位度电成本正在下降，更加具有经济性；另一方面本文优化的目标中引入了碳税5 作为环境指标的惩罚项，从一定程度上限制了火电机组出力的大小。由图3可知，四季中均存在甲醇合成的峰值，并且时段恰好与可再生能源出力上限时段匹配，而该时段火力发电维持在一个较低的水平，说明甲醇产品合成通过大规模消纳可再生能源实现。光伏发电设备和风力发电设备的配置结果较高，相较于已经存在的火电机组（设定值为2 0 0 0 kW），风力发电和光伏发电的规模已经接近火电机组的容量。同时，该系统的可再生能源装机量占比达到6 4.2 3%，属于高比例的可再生能源系统。这说明考虑电转甲醇技术的综合能源系统符合未来我国能源发展方向。现存的火力发电机组中，大多为中小型燃煤机组，如何实现从火电机组向可再生能源的平稳过渡是需要考虑的问题，而考虑电转甲醇技术的综合能源系统为传统电力系统绿色转型NO.112023节能 ENERGYCONSERVATION80鬼问题探讨提供了可靠的解决方案。考虑电转甲醇技术的综合能源系统各项成本数据如表1所示。在系统的各项成本中，设备的投资成本占25.42%，设备运行维护成本占7.13%，碳税罚款占40.42%，燃料成本占2 7.0 4%。各项成本中，碳税罚款近乎占据了总成本的一半，因为构建综合能源系统的出发点之一是降低二氧化碳的排放。随着我国对环境问题的重视，在综合能源系统的配置规划阶段，碳税的关注必须得到应有的重视。燃煤的购置成本是综合能源系统运行成本中占比较大的因素，这两部分的成本均来自火力发电，近乎占据总成本的7 0%。综合以上两部分因素认为，在未来的能源系统中，火力发电的经济性将会变得越来越差，可再生能源的度电成本降低将会是未来能源转型的重要方向表1考虑电转甲醇技术的综合能源系统各项成本数据项目成本/万元占比/%设备投资成本79.9725.42设备运行维护成本22.437.13碳税罚款127.1640.42燃料成本85.0727.04合成甲醇的二氧化碳来自火力发电，在一定限度上降低了二氧化碳的排放。但配置结果中实际的甲醇化设备容量并不大，原因是甲醇化的过程需要电解槽电解出氢气作为前序过程，再与碳捕集获得的二氧化碳反应生成甲醇。前序的电解过程耗能巨大7，是甲醇化合成过程耗能的数倍以上。因此，为了进一步地扩大甲醇化的规模，需要对电解槽的电解环节提出改进，降低电解槽的能耗，提高甲醇合成的规模化程度 18 。在未来电解槽技术向着低电耗的方向发展时，会提高甲醇化设备在综合能源系统中的配置容量，从而进一步提高综合能源系统的二氧化碳的减排能力。3结语针对融合了电转甲醇技术的综合能源系统，考虑了4个季节内典型日内的电力负荷需求，构建各个设备的出力模型，调用商用求解器CPLEX求解混合整数线性规划(MILP)，得到系统中的容量配置和运行调度结果。最后对仿真结果进行分析，可以得出如下结论：从系统的配置结果方面分析，优化后的综合能源系统是一个高比例可再生能源系统，这与我国未来能源转型的方向一致，为我国未来的能源转型提供参考。从系统运行成本结构方面分析，火力发电的碳税以及高额的燃煤购置费使得火力发电机组的经济性降低，可再生能源发电的优势进一步显现。从运行调度的优化结果方面分析，融合了电转甲醇技术的综合能源系统实现了可再生能源消纳、碳减排和促进经济性的多重效益，为实现“双碳”目标提供了可行的技术支撑文中针对考虑电转甲醇技术的综合能源系统的容量配置问题进行了研究，在前人的基础上做出了一定创新性的研究，但是目前仍然存在着一些不足之处以及可供后续深入研究的扩展方向。风光等可再生能源的不确定性对系统的容量配置会产生不小的影响，需要在规划配置的阶段加以考虑。文中采用的设备模型在构建MILP问题时进行了简化，部分复杂的模型直接采用了线性拟合的方式代替，精度不高。后续的研究者可以结合实际情况提高模型的复杂程度。参考文献1】郭琦，卢远宏.新型电力系统的建模仿真关键技术及展望 .电力系统自动化,2 0 2 2,46(10)：18-32.2】齐州.能源结构优化应快马加鞭 N.中国石化报,2 0 18-0 4-10(2)。3陆臣斌.考虑不确定性的园区综合能源系统低碳经济运行研究 D.杭州：浙江大学，2 0 2 3.4李佳蓉，林今，肖晋宇，等.面向可再生能源消纳的电化工(P2X)技术分析及其能耗水平对比 J.全球能源互联网,2 0 2 0,3(1)：8 6-9 6.5】潘光胜，顾钟凡，罗恩博，等.新型电力系统背景下的电制氢技术分析与展望J.电力系统自动化，2 0 2 3,47(10）：1-13.6】左逢源，张玉琼，赵强，等.计及源荷不确定性的综合能源生产单元运行调度与容量配置两阶段随机优化 J.中国电机工程学报，2 0 2 2,42(22):8205-8215.7】赵忠治.煤制甲醇合成工艺技术发展与分析J.化工管理，2 0 2 1(33)：111-113.8】余潜跃，张玉琼，赵强，等.综合能源生产单元的全生命周期碳足迹评价与技术经济性评估 J/OL.中国电机工程学报：1-13 2 0 2 3-0 9-20.https:/doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.223326.9】刘向前.太阳能光伏发电及相关技术研究 J.中国设备工程,2 0 2 3(17):207-209.10马建波，王朝晖.面向碳中和的区域供冷系统和海上风电的协同规划分析 J/OL.中国电机工程学报：1-13 2 0 2 3-0 9-2 0 .https:/doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.230696.11卢志刚，师铸博，何良策，等.基于碳捕集与封存一电转气-电解熔融盐协同的虚拟电厂优化调度 J.电网技术，2 0 2 3,47(8)：30 8 8-310 3.12陈良.考虑电热综合需求响应的园区综合能源系统协同优化配置研究 D.吉林：东北电力大学，2 0 2 3.13朱超，田地，张浩杰，等.二氧化碳加氢制甲醇与电解制甲醇系统技术经济性分析 J.低碳化学与化工,2 0 2 3，48 1)：117-12 4.14张兴平，张又中.计及P2G和CCS的园区级电-热-气综合能源系统多目标优化 J.电力建设,2 0 2 0,41(12)：9 0-9 9.15庞军，李戈.碳税的计税依据：燃料端还是排放端？一基于中国多部门CGE模型 J.山西大学学报：哲学社会科学版，2 0 2 3，46（5）：131-142.16但扬清，王蕾，郑伟民，等.高比例可再生能源接入背景下电网承载能力鲁棒提升策略 J.中国电力，2 0 2 3,56(9)：10 4-111.17宋天琦，马韵婷，张智慧.光伏耦合电解水制氢系统作为虚拟电厂资源的运行模式与经济性分析 J.发电技术，2 0 2 3，44(4)：46 5-47 2.18刘承锡，曾冠维，廖敏芳，等.大容量电解槽动态仿真建模及其快速频率响应分析 J/OL.电网技术：1-10 2 0 2 3-0 9-2 0 .https:/doi.org/10.13335/j.1000-3673.pst.2022.2471.