考慮季節(jié)性氫儲(chǔ)及期貨式碳交易的綜合能源系統(tǒng)年度規(guī)劃研究

孫子茹，艾芊，居來(lái)提·阿不力孜，何峰，袁少偉

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司 烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

隨著雙碳戰(zhàn)略與新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，可再生能源占比日益增加，但受自然環(huán)境影響具有明顯季節(jié)性出力波動(dòng)，難以完全貼合負(fù)荷曲線波動(dòng)，能源系統(tǒng)在冬夏季節(jié)供不應(yīng)求，而在春秋季節(jié)供大于求，在特殊極端天氣情況下，新能源可能連續(xù)多日處于低出力狀態(tài)，加劇了供需平衡的不確定性，進(jìn)一步擴(kuò)大供能缺口。在系統(tǒng)中引入“儲(chǔ)”元素削減可再生能源的不確定性是行之有效的策略，國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)了一系列政策指導(dǎo)意見[1-4]，但較多集中在電化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能等儲(chǔ)能形式，而化學(xué)儲(chǔ)能、抽水蓄能受制于建設(shè)地理要求高、存儲(chǔ)容量與經(jīng)濟(jì)性制約、儲(chǔ)存能量耗散率高、后續(xù)回收利用難等多種因素，難以參與周、月等更長(zhǎng)時(shí)間尺度的運(yùn)行優(yōu)化，因此需要進(jìn)一步研究大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間、寬領(lǐng)域的季節(jié)性儲(chǔ)能（seasonal energy storage，SES）。

氫儲(chǔ)能可以在實(shí)現(xiàn)電-氫-電跨能源形式轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)上，利用儲(chǔ)氫罐滿足長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能及運(yùn)輸需求，滿足季節(jié)性儲(chǔ)能長(zhǎng)時(shí)間尺度、跨能源形式、空間可運(yùn)輸3個(gè)關(guān)鍵特征[5]，除此之外，隨著電解水制氫技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用富余的可再生能源制氫成本不斷降低，能夠適應(yīng)可再生能源發(fā)展配套規(guī)?；?，而且可以作為無(wú)污染的綠色燃料參與到二氧化碳處理和資源化利用過程中[6]，因此氫儲(chǔ)能是未來(lái)具有應(yīng)用潛力的季節(jié)性儲(chǔ)能系統(tǒng)。文獻(xiàn)[7]總結(jié)歸納了氫氣目前的儲(chǔ)運(yùn)方式及技術(shù)研究現(xiàn)狀。文獻(xiàn)[8]針對(duì)未來(lái)中國(guó)西部高比例新能源電源對(duì)外輸送及消納問題，提出了近期和遠(yuǎn)期西部電氫綜合能源電力網(wǎng)的初步構(gòu)建方案。文獻(xiàn)[9]分析了新能源電制-儲(chǔ)氫耦合的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)、利用模式。文獻(xiàn)[10]評(píng)估了氫儲(chǔ)能對(duì)電力系統(tǒng)時(shí)域分析的影響。文獻(xiàn)[11-12]提出了電氫綜合能源系統(tǒng)魯棒優(yōu)化模型，根據(jù)不同研究目標(biāo)得到了多種可參考運(yùn)行策略。但目前大多數(shù)含氫的綜合能源運(yùn)行優(yōu)化策略研究聚焦在較小的園區(qū)內(nèi)，部分研究使用氫燃料電池進(jìn)行氫轉(zhuǎn)電，沒有考慮到燃料電池本身造價(jià)成本高昂等弊端，難以運(yùn)用在實(shí)際大容量綜合能源系統(tǒng)中，因此需要尋求更好的氫電耦合方式。

由于氫氣燃燒產(chǎn)物無(wú)污染，因此氫氣被視為未來(lái)低碳能源的重要形式，但傳統(tǒng)火電機(jī)組及燃?xì)鈾C(jī)組難以短時(shí)間內(nèi)被完全取代，因此碳捕集、利用與封存(carbon capture, utilization and storage,CCUS )技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)電廠成為目前關(guān)鍵低碳技術(shù)之一，碳排放權(quán)交易機(jī)制也應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[13]在園區(qū)內(nèi)引入碳捕集及儲(chǔ)碳設(shè)備，建立了考慮碳交易的多能源園區(qū)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[14]研究了碳捕集火電機(jī)組參與電能市場(chǎng)以及碳交易市場(chǎng)的效益最優(yōu)策略。但目前大部分研究都集中在日前時(shí)間尺度，缺乏對(duì)年度運(yùn)行計(jì)劃的相關(guān)研究，沒有考慮中長(zhǎng)期管控能源系統(tǒng)碳排量的合理性及經(jīng)濟(jì)性，因此需要進(jìn)一步研究綜合能源系統(tǒng)如何用較少的碳成本完成長(zhǎng)期的減排目標(biāo)。

本文首先在傳統(tǒng)電-氣-熱-冷的綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，考慮了氫能和碳能的耦合作用，以電解水反應(yīng)裝置及燃?xì)漭啓C(jī)作為電-氫-電能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，儲(chǔ)氫設(shè)備解決了氫電耦合季節(jié)性不匹配的矛盾，用碳捕集-碳封存設(shè)備和氫氣甲烷化反應(yīng)裝置控制二氧化碳的排放及利用，提出了考慮碳流的多能耦合綜合能源系統(tǒng)框架，并對(duì)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備建立數(shù)學(xué)模型。其次，結(jié)合現(xiàn)有碳交易日市場(chǎng)提出了中長(zhǎng)時(shí)間尺度期貨式碳交易機(jī)制，在控制系統(tǒng)年碳排量的同時(shí)，給予系統(tǒng)更高的自由調(diào)節(jié)空間。隨后，在傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，綜合考慮了系統(tǒng)的各項(xiàng)成本，提出了經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)的多目標(biāo)函數(shù)模型，并利用改進(jìn)差分進(jìn)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解。最后，選取新疆東部某風(fēng)光水新能源基地為例，驗(yàn)證了所提方法的可行性與經(jīng)濟(jì)性。

1 考慮碳流的多能耦合綜合能源系統(tǒng)

1.1 考慮碳流的綜合能源系統(tǒng)框架

為促進(jìn)可再生能源的消納利用，平抑系統(tǒng)凈負(fù)荷季節(jié)性波動(dòng)，本文在傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了電解水制氫、儲(chǔ)氫以及燃?xì)漭啓C(jī)設(shè)備，通過考慮氫-電耦合關(guān)系使氫能作為季節(jié)性儲(chǔ)能發(fā)揮“低儲(chǔ)高發(fā)”作用?？紤]低碳經(jīng)濟(jì)影響在系統(tǒng)內(nèi)引入碳能流，增加了可調(diào)節(jié)碳捕集裝置以及碳封存和氫氣甲烷化反應(yīng)。新增的電解水反應(yīng)和氫氣甲烷化反應(yīng)都是高溫反應(yīng)，其反應(yīng)過程余熱進(jìn)一步回收耦合到熱網(wǎng)中再利用。冷、熱負(fù)荷具有季節(jié)互補(bǔ)特性，可通過吸收式制冷機(jī)組進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化，燃?xì)忮仩t、電制冷裝置作為補(bǔ)充備用機(jī)組。本文提出的多能耦合綜合能源系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 考慮碳流的多能耦合綜合能源系統(tǒng)框架Fig. 1 Framework for an integrated multi-energy coupled energy system with carbon flows

1.2 綜合能源系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)學(xué)模型

1.2.1 電解水制氫

1.2.2 儲(chǔ)氫

1.2.3 燃?xì)漭啓C(jī)

1.2.4 碳捕集設(shè)備

1.2.5 氫氣甲烷化

2 期貨式碳交易機(jī)制

碳交易機(jī)制的提出使碳排放量成為可交易的商品，通過市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)手段刺激發(fā)電企業(yè)控制碳排放量，從而達(dá)到社會(huì)節(jié)能減排的目標(biāo)。傳統(tǒng)碳交易機(jī)制依賴政府相關(guān)部門分配的免費(fèi)碳排放份額，實(shí)際超出或不足部分則根據(jù)每日碳交易價(jià)格進(jìn)行買賣。碳交易市場(chǎng)已經(jīng)在北京、上海、廣州等7個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行嘗試，但目前依舊處于弱態(tài)有效市場(chǎng)，免費(fèi)限額配置過多、市場(chǎng)交易方式局限、市場(chǎng)環(huán)境落后等問題造成市場(chǎng)效率低下[23-24]。

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出與確立，全國(guó)減排目標(biāo)細(xì)化下分至各省級(jí)相關(guān)監(jiān)管部門，從長(zhǎng)時(shí)間尺度的規(guī)劃目標(biāo)角度考慮，可在現(xiàn)有傳統(tǒng)短期日交易機(jī)制基礎(chǔ)上增加長(zhǎng)期期貨式交易機(jī)制，具體流程如圖2所示。

圖2 期貨式碳交易流程Fig. 2 Flow chart of futures-based carbon trading

該機(jī)制降低了給予電廠等碳排放源企業(yè)的免費(fèi)碳排放份額，但允許企業(yè)以低于市場(chǎng)實(shí)時(shí)交易的價(jià)格進(jìn)行年碳排量的期貨購(gòu)買，具體可購(gòu)買量的上限由相關(guān)政府部門根據(jù)去年企業(yè)碳排量的實(shí)際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)卣w減碳目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估確定。在期貨合同約定的一年內(nèi)，企業(yè)可根據(jù)自身運(yùn)行特性進(jìn)行碳排量的調(diào)整，在碳排量富余或緊缺時(shí)，依舊可以選擇是否參與到傳統(tǒng)的碳交易日市場(chǎng)中。最后，監(jiān)管部門進(jìn)行年度核算，若發(fā)現(xiàn)超出約定的年碳排量，相關(guān)企業(yè)將受到巨額懲罰且下一年期貨購(gòu)買價(jià)格提高，若沒有超出則給予獎(jiǎng)勵(lì)且下一年期貨購(gòu)買價(jià)格適當(dāng)降低。

該交易機(jī)制給予了企業(yè)更高的碳排靈活性，但對(duì)企業(yè)年度運(yùn)行規(guī)劃及實(shí)施把控的精準(zhǔn)度提出了更高要求。企業(yè)在一年?duì)I業(yè)期間內(nèi)通常存在旺季和淡季，該交易機(jī)制使企業(yè)避免在旺季高價(jià)購(gòu)買大量碳排權(quán)，而在淡季低價(jià)售出碳排權(quán)。企業(yè)在約定的時(shí)間內(nèi)還可以參與傳統(tǒng)日交易市場(chǎng)，以比期貨購(gòu)買成本高的價(jià)格售出富余的碳排權(quán)，只要保證在年度核算時(shí)，總碳排量不超過年初購(gòu)買期貨量即可。

該交易機(jī)制可有效結(jié)合每個(gè)階段減碳目標(biāo)，刺激碳排源企業(yè)升級(jí)產(chǎn)業(yè)低碳技術(shù)的同時(shí)，減少企業(yè)成本增加壓力，而且保證了傳統(tǒng)碳交易日市場(chǎng)的價(jià)格穩(wěn)定性，有利于碳交易市場(chǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

基于以上機(jī)制，綜合能源系統(tǒng)購(gòu)買期貨式碳排權(quán)成本Ccm可表示為

3 綜合能源系統(tǒng)年度規(guī)劃模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.1.1 投資成本

3.1.2 運(yùn)行成本

3.1.3 碳成本

3.1.4 懲罰成本

3.2 約束條件

3.2.1 綜合能源系統(tǒng)供需約束

3.2.2 常規(guī)機(jī)組出力約束

3.3 模型求解

針對(duì)上述優(yōu)化模型，采用改進(jìn)差分進(jìn)化算法（modified differential evolution，MDE）進(jìn)行求解。MDE是一種基于群體的啟發(fā)式搜索算法，與遺傳算法類似都包括變異、雜交和選擇操作，根據(jù)算法中變異過程原理改進(jìn)變異算子F，可以提高尋優(yōu)效率。參考文獻(xiàn)[23]中自適應(yīng)變異算子及算法參數(shù)設(shè)置，基于Matlab軟件Yalmip工具，調(diào)用Gurobi求解器進(jìn)行計(jì)算，基本流程如圖3所示。

圖3 優(yōu)化模型求解流程Fig. 3 Flowchart of optimization model solution process

4 算例分析

4.1 算例背景

選取新疆東部某風(fēng)光水新能源基地為場(chǎng)景，基地風(fēng)、光、水電年出力如圖4所示。該基地的清潔能源參與了“疆電外送”項(xiàng)目，外送電負(fù)荷及本地自用的冷熱氫電負(fù)荷曲線如圖5所示，該部分氫負(fù)荷是為地區(qū)燃?xì)潆妱?dòng)車預(yù)留的加氫站內(nèi)常規(guī)負(fù)荷。以周為時(shí)間顆粒對(duì)基地的多能流綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行年度運(yùn)行優(yōu)化，系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表1～3，其中3號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)為燃?xì)漭啓C(jī)，最大出力為最大可建設(shè)容量。

圖4 風(fēng)/光/水電最大出力值Fig. 4 Maximum output power of wind power/photovoltaic/hydropower

圖5 負(fù)荷需求曲線Fig. 5 Load demand curve

表1 火電機(jī)組參數(shù)Table 1 Thermal power unit parameters

表2 燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)Table 2 Gas turbines parameters

表3 設(shè)備參數(shù)Table 3 Equipment parameters

4.2 規(guī)劃結(jié)果分析

本文設(shè)置3種規(guī)劃案例對(duì)比分析。案例1：采用本文提出的多能流密切耦合的綜合能源系統(tǒng)；案例2：不考慮系統(tǒng)內(nèi)電解水反應(yīng)過程中余熱利用，不考慮氫氣甲烷化反應(yīng)；案例3：不考慮氫氣燃?xì)廨啓C(jī)。

規(guī)劃結(jié)果如表4、表5所示。由表4、表5可看出，案例1總成本最低，案例2由于沒有考慮余熱利用，導(dǎo)致在春秋季節(jié)傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)須增加出力供給熱能，使燃料成本和碳成本增加了約3.1%，而不考慮氫氣甲烷化反應(yīng)導(dǎo)致可再生能源制氫量減少，棄風(fēng)、棄光的懲罰成本增加了3 294.58萬(wàn)元。案例3將制取氫氣全部轉(zhuǎn)換為甲烷，減少了購(gòu)買天然氣量，燃料成本減少了4.30%，但制取甲烷提高了系統(tǒng)整體運(yùn)行成本。除此之外，由于未考慮燃?xì)漭啓C(jī)的出力，使傳統(tǒng)火電機(jī)組和傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)出力增長(zhǎng)，導(dǎo)致購(gòu)買碳排權(quán)以及碳封存的成本增長(zhǎng)了4 267.07萬(wàn)元，且在夏季峰值時(shí)刻由于缺少燃?xì)漭啓C(jī)出力，出現(xiàn)了約1.12%的失負(fù)荷量，造成了1 100.40萬(wàn)元的懲罰成本。

表4 優(yōu)化后容量規(guī)劃配置Table 4 Optimized capacity planning configuration

表5 成本目標(biāo)函數(shù)分析Table 5 Cost objective function analysis

由此可見，本文提出的綜合能源系統(tǒng)能充分考慮多種能量耦合關(guān)系，使系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了可再生能源利用率，滿足了碳排量要求，提高了系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。

4.3 機(jī)組中長(zhǎng)期尺度運(yùn)行優(yōu)化分析

在案例1規(guī)劃建設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)各機(jī)組出力特性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在春季和秋季由于負(fù)荷需求較小且可再生能源出力較多，因此系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組出力較小，可在春秋季節(jié)安排檢修計(jì)劃。在冬季和夏季，各機(jī)組處于滿載狀態(tài)，燃?xì)漭啓C(jī)在負(fù)荷高峰時(shí)刻進(jìn)行燃?xì)涑隽?，保證系統(tǒng)不出現(xiàn)切負(fù)荷情況。

圖6 火電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)出力曲線Fig. 6 Output curves of thermal power units and gas turbines

圖7為系統(tǒng)內(nèi)多種燃?xì)廨啓C(jī)和多能耦合反應(yīng)過程的熱出力曲線，整個(gè)系統(tǒng)熱能需求基本可通過多能耦合過程的余熱滿足，不需要額外通過燃?xì)忮仩t增加出力。在傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)出力較少的春秋季節(jié)，電解水反應(yīng)產(chǎn)生的余熱承擔(dān)了熱負(fù)荷需求。氫氣甲烷化反應(yīng)在系統(tǒng)內(nèi)受限于氫氣富余量，因此對(duì)整體系統(tǒng)提供熱能較少，但依然有效承擔(dān)了部分熱負(fù)荷，未來(lái)有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖7 燃?xì)鈾C(jī)組和多能耦合反應(yīng)過程熱出力曲線Fig. 7 Heat output curves for units and multi-energy coupled reaction processes

圖8為冷能機(jī)組出力曲線，冷能優(yōu)先通過雙效吸收制冷機(jī)將富余的熱能轉(zhuǎn)化成冷能，但由于傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)漭啓C(jī)夏季出力時(shí)間集中在27～34周，因此系統(tǒng)仍需要電制冷機(jī)組進(jìn)行出力填補(bǔ)冷負(fù)荷需求缺口。

圖8 冷能機(jī)組出力曲線Fig. 8 Output curves for chillers

4.4 系統(tǒng)制-儲(chǔ)-用氫的季節(jié)性優(yōu)化分析

圖9為電解水裝置制氫反應(yīng)曲線。圖10為季節(jié)性氫儲(chǔ)能的充放及整體容量狀態(tài)曲線，可以看出氫能的制-儲(chǔ)-用環(huán)節(jié)具有明顯的季節(jié)性。在凈負(fù)荷曲線最容易出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光、棄水時(shí)間段，電解水裝置集中制氫并儲(chǔ)存。存儲(chǔ)的氫能一方面在其他無(wú)多余風(fēng)光制氫的時(shí)間段內(nèi)滿足常規(guī)氫氣負(fù)荷需求，防止出現(xiàn)因無(wú)氫可用而強(qiáng)制制氫的情況；另一方面在電負(fù)荷需求峰值時(shí)段通過燃?xì)漭啓C(jī)發(fā)電，緩解傳統(tǒng)機(jī)組應(yīng)對(duì)尖峰負(fù)荷的壓力，提高傳統(tǒng)機(jī)組的年負(fù)載率以及系統(tǒng)供電可靠性。

圖9 電解水裝置制氫反應(yīng)曲線Fig. 9 Hydrogen production reaction curve for electrolytic water plant

圖10 季節(jié)性氫儲(chǔ)能的充放及容量狀態(tài)曲線Fig. 10 Seasonal hydrogen storage charge/discharge and capacity status curves

其中氫儲(chǔ)能在12周的時(shí)候選擇存儲(chǔ)氫氣量，而在13周釋放氫能，這是因?yàn)榫C合考慮到氫氣甲烷化反應(yīng)需要在13周提供余熱滿足熱負(fù)荷需求，而12周的熱能由2號(hào)傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)以及電解水反應(yīng)提供，側(cè)面反映了本文提出的系統(tǒng)充分考慮多種反應(yīng)過程的能量耦合，有助于提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性。

4.5 系統(tǒng)碳排量?jī)?yōu)化分析

燃?xì)漭啓C(jī)采用純氫為燃料，屬于零碳排放機(jī)組，其余常規(guī)火電機(jī)組以及傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)均配有碳捕集裝置，控制機(jī)組二氧化碳排放量。假設(shè)在案例1設(shè)備規(guī)劃容量基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)碳交易模式，免費(fèi)配額系數(shù) α0提升至0.5，碳交易價(jià)格為0.03元/m3，在保持碳排量不變的情況下，碳成本增長(zhǎng)了2 495.70萬(wàn)元。

圖11為本文提出期貨式碳交易情況下系統(tǒng)碳排量、碳捕集量以及碳利用量的年度變化曲線。由于碳捕集裝置會(huì)降低機(jī)組凈出力，因此在夏季負(fù)荷高峰時(shí)，不進(jìn)行碳捕集過程，產(chǎn)生的二氧化碳全部排放，但其余時(shí)刻碳捕集裝置發(fā)揮作用控制機(jī)組排碳量，使系統(tǒng)全年排碳量控制在購(gòu)買期貨量之內(nèi)。

圖11 系統(tǒng)碳捕集-碳排放-碳利用的年度變化曲線Fig. 11 Curves of annual variations of system carbon capture, carbon emission and carbon utilization

氫氣甲烷化過程受制于化學(xué)反應(yīng)原理，對(duì)參與的氫氣需求較多，不能作為系統(tǒng)主要的碳利用途徑，大部分二氧化碳進(jìn)行了封存，未來(lái)可多挖掘二氧化碳在工業(yè)生產(chǎn)或轉(zhuǎn)化為食品飼料等方面的應(yīng)用。

5 結(jié)論

（1）綜合能源系統(tǒng)內(nèi)增加考慮氫能與電-氣-熱能的耦合，可以平抑系統(tǒng)凈負(fù)荷曲線的季節(jié)性峰谷差，提高新能源的消納率，提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)碳排量。

（2）優(yōu)化改造后的綜合能源系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮多能耦合的優(yōu)勢(shì)，電解水反應(yīng)和氫氣甲烷化反應(yīng)產(chǎn)生的余熱能夠承擔(dān)春秋季節(jié)的熱負(fù)荷需求，降低系統(tǒng)總成本及碳排量。

（3）期貨式碳交易市場(chǎng)給予綜合能源系統(tǒng)更高的碳排靈活性，配合碳捕集裝置的合理利用，可以花費(fèi)較少的碳成本達(dá)到較好的減排效果，有助于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間尺度上的低碳目標(biāo)。