考慮氫能調(diào)峰要素的島嶼能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王博弘 王長(zhǎng)昊 邱 睿 林聿明

1. 浙江海洋大學(xué)臨港石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心

2. 城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·中國(guó)石油大學(xué)（北京） 3. 國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司油氣調(diào)控中心

0 引言

大多數(shù)島嶼能源負(fù)荷小，離岸距離長(zhǎng)，依靠進(jìn)口化石燃料和電網(wǎng)是這些島嶼能源供應(yīng)的主要方式。但進(jìn)口化石燃料會(huì)導(dǎo)致高發(fā)電成本和環(huán)境問(wèn)題[1]。舟山群島位于浙江省東北部，作為地理上孤立的區(qū)域，在確保能源供應(yīng)和減少環(huán)境污染方面面臨一系列挑戰(zhàn)。浙江省提出到2025年碳排放總量和強(qiáng)度得到有效控制，低碳發(fā)展水平顯著提升[2]。目前，浙江省一次能源消費(fèi)中煤炭和石油占比80%[3]。因此，調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)，使用太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能等清潔能源代替化石能源，有效減少CO2排放尤為重要。其中，氫能被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的二次能源[4-5]，具有清潔低碳、高熱值、高轉(zhuǎn)化率等優(yōu)勢(shì)。“雙碳”背景下，發(fā)展氫能成為眾多國(guó)家應(yīng)對(duì)氣候變化、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要選擇[6]。

氫能消耗與溫室氣體排放總量呈負(fù)相關(guān)，是解決環(huán)境相關(guān)問(wèn)題（包括有害氣體排放）的最可行解決方案之一[7]。氫能是一種理想的新型能源，具有清潔、低碳、高效、可再生等優(yōu)點(diǎn)[8-10]，其最佳利用方式是通過(guò)燃料電池技術(shù)進(jìn)行氫電轉(zhuǎn)化[11]。然而，由于其重量輕和氣態(tài)性質(zhì)，在氫氣儲(chǔ)存方面存在挑戰(zhàn)[12]。目前常見(jiàn)儲(chǔ)氫方式有4種：高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫和固體材料儲(chǔ)氫[11]。不同的儲(chǔ)氫方式會(huì)對(duì)儲(chǔ)存技術(shù)的要求和儲(chǔ)存成本產(chǎn)生影響。制氫的原材料不同，在氫氣生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的CO2也不同，選擇適當(dāng)種類(lèi)的氫能制取和儲(chǔ)氫方式在減少碳排放和提升經(jīng)濟(jì)效益方面至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外多從能量系統(tǒng)的優(yōu)化配置方面開(kāi)展島嶼能源系統(tǒng)優(yōu)化研究。楊晨輝[13]研究了沿海島嶼混合微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略和優(yōu)化配置。趙為光等[14]提出了一種新型多能互補(bǔ)模型的微能源網(wǎng)優(yōu)化方法，通過(guò)調(diào)度微能源網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行方式和出力情況，以滿足海島用戶對(duì)能源的需求。Ahmadipour等[15]提出了一種蝗蟲(chóng)算法（Grasshopper Optimization Algorithm，GOA）用于維持包含分布式能源的孤島電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Vera等[16]建立了耦合有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）發(fā)電機(jī)的海洋熱能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型，并將該模型用于圣布拉斯群島（巴拿馬）的能源系統(tǒng)的優(yōu)化案例。我國(guó)大陸電網(wǎng)系統(tǒng)相對(duì)脆弱，在高負(fù)荷用電時(shí)供電量緊張[17]，且從大陸輸送電能至島嶼成本過(guò)高。電網(wǎng)中大多采用煤熱發(fā)電，污染物質(zhì)和CO2排放量較高，因此，需要從經(jīng)濟(jì)性和碳排放量?jī)蓚€(gè)角度對(duì)島嶼內(nèi)部能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行分配和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型。

本文采用碳夾點(diǎn)分析方法作為島嶼能源結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化的工具。夾點(diǎn)方法最初用于換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，其核心在于構(gòu)建一種圖形，用以準(zhǔn)確描述那些復(fù)雜約束，并直觀展現(xiàn)優(yōu)化過(guò)程[18]。碳夾點(diǎn)分析法[19]源于夾點(diǎn)方法，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展創(chuàng)新，其應(yīng)用范圍已延伸至能值夾點(diǎn)[20]、氧夾點(diǎn)[21]、水夾點(diǎn)[22]、熱能—電能夾點(diǎn)[23]等工程領(lǐng)域。Tan等[24]提出了基于夾點(diǎn)的碳約束能源規(guī)劃方法，并首先使用數(shù)形結(jié)合的方法解決能源規(guī)劃問(wèn)題，通過(guò)能源曲線的平移與轉(zhuǎn)化來(lái)確定過(guò)程的最小零碳能源或低碳能源用量。Crilly等[25]改進(jìn)了碳夾點(diǎn)分析方法，使用了基于圖形優(yōu)化概念的新方法用于分析和規(guī)劃愛(ài)爾蘭發(fā)電行業(yè)。趙立華等[26]將碳夾點(diǎn)方法應(yīng)用于多場(chǎng)景下能源最優(yōu)分配研究，并通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化供應(yīng)系統(tǒng)，將其對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響降到最低。余鴻等[27]使用碳夾點(diǎn)分析法建立分析模型，以天津市為研究對(duì)象，考慮總體和區(qū)域的能源需求和碳排放約束，規(guī)劃最優(yōu)能源結(jié)構(gòu)。碳夾點(diǎn)分析方法可以與數(shù)學(xué)規(guī)劃模型結(jié)合，定量計(jì)算每種能源的需求量，并通過(guò)碳夾點(diǎn)圖的方式直觀展現(xiàn)能量的調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)能源最優(yōu)規(guī)劃。

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，大部分研究?jī)H采用碳夾點(diǎn)分析法規(guī)劃某區(qū)域的能源結(jié)構(gòu)，并未考慮能源消耗隨季節(jié)變化的不確定性。本文以舟山群島為例，基于碳夾點(diǎn)分析法優(yōu)化島嶼能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)討論了氫能作為儲(chǔ)能物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益。在能源需求淡季合理儲(chǔ)存能源，在能源旺季釋放能量，在保證達(dá)到減排目標(biāo)的條件下解決能量供給不均的問(wèn)題。

1 碳夾點(diǎn)分析方法

碳夾點(diǎn)分析法在本文應(yīng)用有兩種：①在能源規(guī)劃中，給定某地區(qū)碳減排目標(biāo)，計(jì)算得到該目標(biāo)下，各項(xiàng)電力能源，特別是其中清潔能源的占比；②用于季節(jié)性電力能源規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰。

1.1 碳夾點(diǎn)分析步驟

1）根據(jù)往年信息收集某地區(qū)每年的發(fā)電量，假設(shè)某地電能需求量為（M＋N）GW·h，且只由能源A和能源B提供（表1）。

表1 某地發(fā)電量及碳排放量表

2）依照某地的需求量，畫(huà)出一條過(guò)原點(diǎn)和（M＋N，I＋J）的需求量線段，再根據(jù)表1數(shù)據(jù)，以橫坐標(biāo)為能量，縱坐標(biāo)為CO2排放量畫(huà)出能源供應(yīng)線如圖1所示。

圖1 供需能源圖

3）設(shè)置減排目標(biāo)，畫(huà)出減排后的需求量線段，該線的最右端點(diǎn)為點(diǎn)a，向右平移原能源供應(yīng)線使其與需求量曲線相交于點(diǎn)a，即為碳夾點(diǎn)。碳夾點(diǎn)以上部分，即線段ac，為需減排部分，移動(dòng)原供應(yīng)量折線，所移動(dòng)長(zhǎng)度Ob為所需清潔能源增加量，如圖2所示。

圖2 碳夾點(diǎn)例圖

4）調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，使得a點(diǎn)以上部分由低排放或零排放的清潔能源所提供。

1.2 模型建立

為簡(jiǎn)便計(jì)算，碳夾點(diǎn)分析可以通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型的方式，計(jì)算能源的需求量。

定義數(shù)學(xué)模型如下，假設(shè)在某地區(qū)有c種能源用于發(fā)電，由能源提供電能Nj滿足地區(qū)所需電能，相應(yīng)的碳排放系數(shù)為ωj。

目標(biāo)函數(shù)為求某低碳發(fā)電能源的最小發(fā)電量：

式中D表示能源需求量；ωj（j= 1，2，3…）表示能源j發(fā)電的碳排放因子；表示能源j的最大發(fā)電量，GW·h；Ni表示各個(gè)場(chǎng)景下需規(guī)劃的低碳能源i的發(fā)電量，GW·h；Nj表示能源類(lèi)型j的發(fā)電量，GW·h；E表示設(shè)置的CO2排放量的最大限度，kt。

2 案例分析

2.1 案例地區(qū)能源概況

從發(fā)電結(jié)構(gòu)來(lái)看，2021年浙江省火力、水力、風(fēng)力、核能、太陽(yáng)能發(fā)電量分別占比75.52%、3.96%、1.00%、18.24%、1.28%[28]。本文假設(shè)舟山市與浙江全省發(fā)電結(jié)構(gòu)相同。2021年所需總電量為13 479.65 GW·h[29]。經(jīng)計(jì)算不同種類(lèi)發(fā)電量和對(duì)應(yīng)的CO2排放量如表2所示，其中采用煤炭為燃料的火力發(fā)電方式的碳排放因子高達(dá)888 t (CO2)/(GW·h)。通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電結(jié)構(gòu)中碳排放因子最小3種發(fā)電方式為水力、風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電，但三者在當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)中占比很小，具有巨大的提升潛力以降低碳排放。根據(jù)《浙江省可再生能源發(fā)展“十四五”規(guī)劃》[30]，該省海上風(fēng)電裝機(jī)從186×104kW·h增加到641×104kW·h，增加到原來(lái)的3.45倍；光伏裝機(jī)從1 517×104kW·h增加到2 750×104kW·h，增加到原來(lái)的1.81倍；水電裝機(jī)全省從1 171×104kW·h增加到1 526×104kW·h，增加到原來(lái)的1.30倍。上述規(guī)劃目標(biāo)可作為碳夾點(diǎn)分析的約束條件。如圖3所示，根據(jù)碳排放因子大小，從小到達(dá)排列畫(huà)出供應(yīng)量復(fù)合曲線，連接首端和末端即為需求量線。

圖3 供需夾點(diǎn)圖

表2 2021年舟山市CO2排放量表

2.2 調(diào)整方案

浙江省“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案指出，到2025年，全省單位生產(chǎn)總值能源消耗比2020年下降14.5%[35]，本文以此作為減排目標(biāo)。

首先，設(shè)置減排14.5%的目標(biāo)，畫(huà)出減排后的能源需求線。如圖4所示，平移原能源供應(yīng)線使得原能源供應(yīng)線過(guò)能源需求線最右點(diǎn)（點(diǎn)e），此交點(diǎn)即碳夾點(diǎn)。夾點(diǎn)右上方線段表示需減排1 003.61 kt CO2以完成減排目標(biāo)。為達(dá)到該減排目標(biāo)，e點(diǎn)以上火力發(fā)電部分需使用清潔能源代替，以實(shí)現(xiàn)在滿足發(fā)電量的前提下減少碳排放量。此時(shí)有3種方案：方案一使用水力發(fā)電代替，設(shè)置太陽(yáng)能發(fā)電約束量不超過(guò)2021年發(fā)電量的1.81倍，風(fēng)力發(fā)電不超過(guò)2021年發(fā)電量的3.45倍；方案二使用風(fēng)能發(fā)電代替，設(shè)置水力發(fā)電約束量為不超過(guò)2021年發(fā)電量的1.3倍，太陽(yáng)能發(fā)電不超過(guò)2021年發(fā)電量的1.81倍；方案三使用太陽(yáng)能代替，設(shè)置水力發(fā)電約束量為不超過(guò)2021年發(fā)電量的1.3倍，風(fēng)力發(fā)電不超過(guò)2021年發(fā)電量的3.45倍。

3個(gè)方案經(jīng)計(jì)算如表3所示，方案一共需增加水力發(fā)電1 100.60 GW·h；方案二需1 285.13 GW·h風(fēng)力發(fā)電代替火力發(fā)電；方案三需1 164.79 GW·h太陽(yáng)能發(fā)電代替火力發(fā)電，上述3個(gè)方案都可以達(dá)到所設(shè)置的減排14.5%的目標(biāo)。圖5展示了原方案和3個(gè)減排方案對(duì)應(yīng)的碳夾點(diǎn)圖。

圖5 原方案和3個(gè)減排方案對(duì)應(yīng)的碳夾點(diǎn)圖

表3 各減排方案發(fā)電量及CO2排放量表

表4 發(fā)電成本費(fèi)用表

2.3 經(jīng)濟(jì)核算

海上風(fēng)力發(fā)電的成本為0.56元/(kW·h)[36]，太陽(yáng)能發(fā)電0.3元/(kW·h)[37]，火電的發(fā)電成本是0.4元/(kW·h)[34]，水力發(fā)電成本約為0.56元/(kW·h)，核電平均成本為0.55/(kW·h)[38]。具體發(fā)電成本如表5所示，本文考慮到核電站不易擴(kuò)建，在能源規(guī)劃中不再增加核能發(fā)電。

表5 2022年舟山市季度電能消耗表

通過(guò)數(shù)據(jù)分析，3種方案中方案三（調(diào)節(jié)太陽(yáng)能發(fā)電量）的費(fèi)用最低，方案一（調(diào)節(jié)水力發(fā)電量）和方案二（調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電量）費(fèi)用相近，僅相差230萬(wàn)元。費(fèi)用最低的方案三相對(duì)費(fèi)用最高的方案二相差1 950萬(wàn)元，僅低0.3%左右，由此可以得出，在未來(lái)發(fā)電成本改變不大時(shí)，可優(yōu)先發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電結(jié)合發(fā)展。

2.4 季節(jié)性能源調(diào)整

島嶼的社會(huì)總用電量隨季節(jié)的更替發(fā)生改變。如表5所示，舟山市2022年每季度電能消耗中呈現(xiàn)三四季度消耗多，一二季度電能消耗少的情景。其中一二季度消耗電能較少，約占全年消耗的46%；三四季度耗能較多，占全年消耗的54%。筆者據(jù)此用電特征規(guī)劃舟山市的季節(jié)發(fā)電量。

為避免因能源季節(jié)需求量不同，而產(chǎn)生能源浪費(fèi)和能源供應(yīng)不足的問(wèn)題，本文采用氫能調(diào)峰，并通過(guò)碳夾點(diǎn)分析法計(jì)算需用于調(diào)峰的氫能量。如圖6所示，以最具有經(jīng)濟(jì)性的方案三（太陽(yáng)能發(fā)電）為例，對(duì)三、四季度的用電量進(jìn)行碳夾點(diǎn)規(guī)劃，由于電能需求量高于供應(yīng)量，需要計(jì)算所需額外發(fā)電量。在本案例中，將三、四季度供應(yīng)量復(fù)合曲線向右移動(dòng)直至與需求量線交于點(diǎn)e，復(fù)合曲線平移距離即為所需氫能發(fā)電量。經(jīng)計(jì)算需要通過(guò)氫能發(fā)電539.19 GW·h。

圖6 三、四季度碳夾點(diǎn)圖

水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及太陽(yáng)能發(fā)電等新能源發(fā)電不穩(wěn)定，氣候條件的變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)電量出現(xiàn)較大波動(dòng)[39]。在電能需求量小的季節(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)棄電，為防止電能的浪費(fèi)可以將這部分棄電用于制氫和儲(chǔ)氫。如利用化石燃料制氫、電解水制氫，以及壓縮儲(chǔ)存氫氣。

在制氫方式選擇中，當(dāng)前全球生產(chǎn)的氫氣96%來(lái)自化石能源，僅4%來(lái)自電解氫。天然氣制氫成本12 831元/t，煤制氫9 903元/t[40-41]。電解水制取氫氣的成本與電價(jià)相關(guān)，當(dāng)電價(jià)0.55元/(kW·h)時(shí)制氫成本為33元/kg[42]。雖然使用綠電電解水制氫碳排放接近于0，但由于成本過(guò)高在近些年中很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用。舟山市天然氣利用量較少，2021中規(guī)模以上工業(yè)主要能源消費(fèi)量[43]包括氣態(tài)天然氣4 411×104m3，液化天然氣5370 t，原煤135.5×108t。因此通過(guò)煤化工制氫，將煤轉(zhuǎn)化為氫氣儲(chǔ)存，是合理的制氫調(diào)峰方式。1kg氫氣的熱值約等于33 kW·h電量，氫燃料電池?zé)嶂敌孰S著負(fù)載設(shè)定值為42.5%～74.08%[44]。本文以中間值58%計(jì)算，1 kg氫氣可發(fā)電19.14 kW·h，即需要在一二季度制取28.17 kt氫氣以滿足調(diào)峰需求。通過(guò)適當(dāng)?shù)拿褐茪涞姆椒ㄖ迫? kg氫氣排放9.33 kg (CO2)[45]，煤制氫成本在7.2～10.1元/kg[46]，取平均值8.65元/kg進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，共需2.44億元。

在儲(chǔ)氫方式的選擇中，多名學(xué)者[47-49]對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了分析，認(rèn)為有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫成本上過(guò)高；固體材料儲(chǔ)氫仍處應(yīng)用不成熟的階段；壓縮氫氣是一種成熟的技術(shù)，并且對(duì)于固定目的，例如在氫氣發(fā)電廠中使用，是經(jīng)濟(jì)可靠的存儲(chǔ)方法[12]。因此本案例在氫能的儲(chǔ)存方式中選擇壓縮氫儲(chǔ)氫。已有研究對(duì)壓縮氣體（地上和地下）分析了技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，其中地下中的壓縮氣體儲(chǔ)存成本最低[50]。因此本文案例亦選用地下壓縮氣體的方式儲(chǔ)存氫氣。

鹽穴、貧竭碳?xì)浠衔飪?chǔ)層和鹽水層每公斤氫氣的平均成本別為1.61、1.23和2.77美元[51-52]。假設(shè)三者的平均值作為儲(chǔ)氫成本，經(jīng)計(jì)算平均每公斤氫氣1.87美元，折合人民幣12元/kg。經(jīng)計(jì)算共需3.38億元作為儲(chǔ)氫費(fèi)用。在氫能投資中涉及制取費(fèi)用和儲(chǔ)存費(fèi)用，共5.82億元。經(jīng)計(jì)算全年費(fèi)用以及發(fā)電量如表6所示，總需費(fèi)用64.572億元，比原計(jì)劃（方案三）增加3.372億元。在引入氫能調(diào)峰后舟山市的發(fā)電成本增加5.5%，其中制氫費(fèi)用占2.3%，儲(chǔ)氫費(fèi)用占3.2%。未來(lái)隨著儲(chǔ)氫和制氫的技術(shù)發(fā)展，氫能調(diào)峰的成本會(huì)不斷降低。

表6 全年發(fā)電量及發(fā)電費(fèi)用表

3 結(jié)論

1）應(yīng)用碳夾點(diǎn)分析法對(duì)島嶼能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，首先使用圖解法建立“橫坐標(biāo)為能量，縱坐標(biāo)為碳排放量”的坐標(biāo)系，直觀展示研究地區(qū)能量需求和對(duì)應(yīng)碳排放量；通過(guò)平移能源供應(yīng)線的方式尋找碳夾點(diǎn)，確定應(yīng)減排能源量，進(jìn)而得到滿足條件的能源減排方案。

2）根據(jù)舟山市電力減排目標(biāo)，即相對(duì)2021年減排CO214.5%，使用碳夾點(diǎn)分析法計(jì)算了水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電3個(gè)方案所需增加的新能源發(fā)電量，以替代火力發(fā)電。結(jié)果顯示：方案一（水力發(fā)電）需要增加1 100.60 GW·h水力發(fā)電代替火力發(fā)電，方案二（風(fēng)力發(fā)電）增加1 285.13 GW·h風(fēng)力發(fā)電代替火力發(fā)電，方案三（太陽(yáng)能發(fā)電）增加1 164.79 GW·h太陽(yáng)能發(fā)電代替火力發(fā)電。

3）以減排14.5%為目標(biāo)，考慮制氫成本和儲(chǔ)氫成本，全年氫能投資成本為5.82億元。提出的調(diào)峰方案解決了一、二季度能源消耗量較少而電力消納不足的問(wèn)題，避免能源浪費(fèi)。在能源需求量較少的一、二季度制取28.17 kt氫氣用于三、四季度，可以解決用電高峰季節(jié)的能源短缺，使上、下半年都可以達(dá)到14.5%的減排目標(biāo)。

4）分析了新增水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果表明增加太陽(yáng)能發(fā)電是最經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)方式，全年共花費(fèi)61.2億元，但優(yōu)勢(shì)不明顯，相比其他方案僅低0.3%左右，應(yīng)在條件允許的情況下優(yōu)先發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電，在條件受限時(shí)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電也同樣具有優(yōu)勢(shì)。