熊宇峰，陳來軍，鄭天文，司 楊，梅生偉

（1. 清華大學(xué) 電機系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084；2. 青海大學(xué) 新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心，青海 西寧 810016；3. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川 成都 610213）

0 引言

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)IES（Integrated Energy Sys?tem）是適應(yīng)分布式發(fā)展、滿足工業(yè)園區(qū)多元用能需求的新型能源系統(tǒng)。在園區(qū)IES 中，配置儲能是提升經(jīng)濟性和綜合能效［1-2］的重要手段。但在碳中和的發(fā)展要求下，常規(guī)儲能因能量轉(zhuǎn)化形式單一，在減少燃煤／燃氣使用、降低碳排放方面的作用較為有限。相較而言，氫儲能作為一類零碳排放、具備多能聯(lián)儲聯(lián)供能力的新型儲能手段［3］，且對燃煤、燃氣等傳統(tǒng)能源有一定的替代作用［4-5］，有望在構(gòu)建低碳、綠色的園區(qū)IES方面發(fā)揮更加顯著的作用。

目前，關(guān)于IES 中氫儲能配置的研究大多集中于滿足供能需求或提升經(jīng)濟效益方面，如：文獻［6］分析了IES 配置氫儲能在降低供能、制氫成本方面的效益；文獻［7］以提高制氫收益為目標，分析了氫儲能對清潔能源就地消納的作用；文獻［8］以降低棄風(fēng)量和總成本為目標，提出了IES 中氫儲能及供應(yīng)鏈設(shè)備的優(yōu)化配置模型；文獻［9］針對IES 的能量平衡和運營收益問題，提出了以運營商為主體的氫儲能優(yōu)化配置模型；文獻［10］考慮了氫氣的化工終端消費，以最小化成本為目標提出了工業(yè)園區(qū)IES 的氫儲能配置模型。

針對氫儲能的碳減排作用方面，部分文獻從理論上研究了氫能對燃煤、燃氣的替代作用，并評估了碳減排效益。文獻［11-12］基于熱力學(xué)指標分析了天然氣混氫的經(jīng)濟和環(huán)境效益；文獻［13］從管網(wǎng)改造利用的角度評估了氫能對天然氣的替代作用。相關(guān)研究大多集中于熱力、材料、化工等領(lǐng)域，較少涉及IES 中的儲能配置。文獻［14］考慮了氫能和天然氣的轉(zhuǎn)化，構(gòu)建了電-熱-氣-氫IES；文獻［15］構(gòu)建了含天然氣混氫的IES。上述文獻在構(gòu)建IES 時初步考慮了氫能對燃氣的替代作用，但較少定量分析氫儲能對碳減排的影響。

為此，本文針對工業(yè)園區(qū)IES 中電熱氣負荷的需求特點和低碳發(fā)展的總體目標，提出了一種配置氫儲能的電熱氣耦合低碳IES 架構(gòu)。在分析氫儲能單元多能特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了氫儲能單元的多能聯(lián)儲聯(lián)供模型；進一步地，綜合考慮經(jīng)濟和環(huán)境效益，建立了園區(qū)IES 的氫儲能單元優(yōu)化配置模型。通過算例分析驗證了園區(qū)IES 中氫儲能在降低碳排放、提高綜合能效等方面的作用，并分析了其典型的適用場景。

1 配置氫儲能的低碳園區(qū)IES架構(gòu)

本文所提配置氫儲能的低碳園區(qū)IES架構(gòu)如圖1所示。配置氫儲能的低碳園區(qū)IES 由一類常規(guī)的工業(yè)園區(qū)IES［16］擴展而來。此類園區(qū)IES 包含內(nèi)部電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)，與外部電網(wǎng)、氣網(wǎng)相連，可購入電能和天然氣以供系統(tǒng)消費。同時還配備了本地分布式光伏和風(fēng)電，由外部電網(wǎng)購電與自身分布式清潔能源發(fā)電一同滿足本地電負荷。購入的天然氣經(jīng)燃氣輪機GT（Gas Turbine）以及燃氣鍋爐GB（Gas Boiler）轉(zhuǎn)化為電能和熱能以分別滿足電、熱負荷。

圖1 配置氫儲能的園區(qū)IES架構(gòu)Fig.1 Framework of park IES with hydrogen energy storage

在常規(guī)IES 的基礎(chǔ)上，本文通過配置氫儲能單元構(gòu)建了電熱氣聯(lián)儲聯(lián)供的低碳園區(qū)IES。氫儲能單元由電解槽、儲氫罐、燃料電池三部分組成，其中電解槽、燃料電池分別實現(xiàn)電能向氫能、氫能向電能的能量轉(zhuǎn)換，并在工作過程中以熱水為工質(zhì)參與熱網(wǎng)循環(huán)，滿足一定的熱負荷需求；儲氫罐則用來壓縮存儲產(chǎn)生的氫氣。

氫儲能單元的運行模式較靈活，主要存在以下3 種運行狀態(tài)：①電解槽消耗電能將其轉(zhuǎn)換為氫氣和熱能；②燃料電池消耗氫氣實現(xiàn)電熱聯(lián)供；③將儲氫罐中的部分氫氣混入天然氣管網(wǎng)，經(jīng)燃氣設(shè)備供應(yīng)電、熱負荷。上述3 種運行狀態(tài)可以自由組合，極大地提升了系統(tǒng)的電熱氣多能轉(zhuǎn)換能力。

氫儲能的引入有望改善園區(qū)IES 內(nèi)部的供能、用能結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的碳排放，促進清潔能源消納。風(fēng)、光出力的隨機性導(dǎo)致清潔能源通常不能被有效消納，在系統(tǒng)熱負荷需求較高時，需要購入大量的能源以滿足本地供能需求，其中尤以天然氣居多，這會產(chǎn)生較多的碳排放。氫儲能單元具有靈活的運行狀態(tài)和多能聯(lián)儲聯(lián)供能力，可有效消納和轉(zhuǎn)化清潔能源，降低系統(tǒng)的購能（特別是購氣）需求，提升系統(tǒng)的環(huán)境、經(jīng)濟效益。

2 氫儲能單元的多能聯(lián)儲聯(lián)供模型

2.1 電化學(xué)特性分析

在氫儲能單元中，電解槽、燃料電池的作用分別為耗電制氫、燃氫發(fā)電，二者的氫能-電能轉(zhuǎn)換模型分別如式（1）和式（2）所示［17］。

式中：Pel(t)、Mel(t)分別為t時段電解槽的用電功率、產(chǎn)氫功率；Pfc(t)、Mfc(t)分別為t時段燃料電池的發(fā)電功率、耗氫功率；ηel、ηfc分別為電解槽耗電制氫、燃料電池燃氫發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換效率。為了簡化考慮，通常在氫儲能單元配置研究中將能量轉(zhuǎn)換效率設(shè)置為常數(shù)［9］。

為了便于說明和分析，將氫儲能單元的電、熱、氫3 類能源形式統(tǒng)一采用功率或能量進行描述。實際氫氣的體積或質(zhì)量可根據(jù)氫能的能量或功率并結(jié)合氫氣的熱值等常數(shù)進行換算得到（一個標準大氣壓下且溫度為0 ℃時，1 m3氫氣的能量約為2.95 kW·h）。

2.2 熱力學(xué)特性分析

電解槽、燃料電池的基本熱力學(xué)方程分別如下：

式中：Tel(t)為t時段電解槽的工作溫度，即電解質(zhì)溫度（單位為°C）；Cel、Rel分別為電解槽的熱容（單位為kW·h／°C）、熱阻（單位為°C／kW）；Tfc(t)為t時段燃料電池的工作溫度（單位為°C）；Cfc、Rfc分別為燃料電池的熱容（單位為kW·h／°C）、熱阻（單位為°C／kW）；Ta(t)為環(huán)境溫度（單位為°C）；Hel(t)、Hfc(t)分別為t時段電解槽、燃料電池的冷卻循環(huán)水吸熱功率（單位為kW）。

以電解槽為例，式（3）的等號左側(cè)為電解槽的電解質(zhì)吸熱功率，等號右側(cè)各項分別為用電功率、產(chǎn)氫功率、環(huán)境熱損失功率、冷卻循環(huán)水吸熱功率。園區(qū)IES 的熱網(wǎng)工質(zhì)主要為熱水，而電解槽、燃料電池的冷卻循環(huán)水通過換熱器傳遞熱能，以熱水的形式參與到園區(qū)IES 的熱網(wǎng)循環(huán)中，則冷卻循環(huán)水吸熱功率Hel(t)、Hfc(t)分別為t時段電解槽、燃料電池的對外供熱功率。根據(jù)文獻［18］，可采用適當?shù)姆绞娇刂评鋮s循環(huán)水的吸熱、放熱功率，從而控制電解質(zhì)的溫度，進而在一定程度上起到儲存熱能的效果。

2.3 多能聯(lián)儲聯(lián)供模型

氫儲能單元主要存在以下2 類儲能形式：①電能轉(zhuǎn)化為氫能，以壓縮氣體形式存儲于儲氫罐；②熱能以電解質(zhì)內(nèi)能的形式存儲于電解槽、燃料電池。

本文借鑒傳統(tǒng)的蓄電池、儲熱罐等儲能設(shè)備荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）的概念定義氫儲能單元的SOC。由于氫儲能單元具備2 種儲能形式，有必要建立儲氫SOC-儲熱SOC 的雙SOC 模型，如式（5）和式（6）所示。

式中：MSOC(t)、M?SOC(t)分別為t時段的儲氫SOC（無量綱）及其變化率；Mhst(t)、Qhst分別為儲氫罐在t時段的實時儲氫量、配置的儲氫量（單位為kW·h）；MH2G(t)為t時段天然氣管網(wǎng)的混氫功率（單位為kW，考慮到天然氣管網(wǎng)的安全性以及終端燃具的燃燒性能，僅有少量氫氣可以混入天然氣，混氫天然氣經(jīng)2 類燃氣設(shè)備直接利用可以轉(zhuǎn)化為電能和熱能）；分別為儲氫、放氫環(huán)節(jié)的效率；HSOC(t)為t時段的儲熱SOC（無量綱）；(Cel+Cfc)(Tmax-Tmin)為電解質(zhì)的最大可儲熱能量，Tmax、Tmin分別為電解槽／燃料電池電解質(zhì)的溫度上、下限（單位為℃）。可將式（3）和式（4）代入式（6）求得HSOC(t)的變化率H?SOC(t)，本文不再列寫。

式（1）—（4）描述了氫儲能單元的電熱雙向供能特性；式（5）和式（6）分別定義了氫儲能單元中氫、熱2 種儲存介質(zhì)的儲能狀態(tài)，即儲能特性。電、熱、氫功率以及氫、熱的儲能狀態(tài)通過2 類儲能SOC 的變化率表達式（即M?SOC(t)、H?SOC(t)）而相互聯(lián)系。式（1）—（6）實現(xiàn)了電熱供能特性和氫熱儲能特性的結(jié)合，構(gòu)成了氫儲能單元的多能聯(lián)儲聯(lián)供模型，可有效、全面地分析儲能、供能情況。

3 IES中氫儲能的優(yōu)化配置模型

3.1 目標函數(shù)

IES 中氫儲能的優(yōu)化配置以年投資運行總成本Ccost最低為目標函數(shù)，如式（7）所示。

式中：Ccstr、Cbuy、Ccarbon、Cpns分別為年化投資成本、購能成本、碳排放折算成本、運行懲罰成本；r、m分別為利率、使用壽命；ξel、ξfc、ξhst分別為電解槽、燃料電池、儲氫罐的單位容量投資成本；Qel、Qfc分別為電解槽、燃料電池的配置容量；ce(t)、cg(t)分別為t時段的電價、氣價；Pin(t)、Gin(t)分別為t時段的購電功率、購氣體積速率；Δt為單位時段時長，本文為1 h；Tyear為全年內(nèi)的時段數(shù)量；αe、αg分別為單位電能、單位體積天然氣的碳排放折算成本，由碳排放價格（單位質(zhì)量CO2的折算成本）和碳排放因子（單位用能排放CO2的質(zhì)量）相乘求得；Pls(t)、Hls(t)、Pct(t)分別為t時段的失電負荷、失熱負荷、棄風(fēng)棄光功率；βe(t)、βh(t)分別為t時段的失電、失熱負荷懲罰單價，可參考實時電價制定；γct為棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)。

3.2 約束條件

1）能量平衡約束。

（1）電能平衡約束為：

式中：Ppv(t)、Pwd(t)分別為t時段的光伏、風(fēng)電功率；Pld(t)為t時段的電負荷；PGT(t)為t時段燃氣輪機的發(fā)電功率。

（2）熱能平衡約束。在IES 中，由燃氣設(shè)備（燃氣輪機、燃氣鍋爐）和氫儲能單元（電解槽、燃料電池）供應(yīng)本地?zé)嶝摵?，即滿足：

式中：HGT(t)、HGB(t)分別為t時段燃氣輪機、燃氣鍋爐的產(chǎn)熱功率；Hld(t)為t時段的熱負荷。

（3）氣體能量平衡約束如式（14）所示，由外購天然氣及混入管網(wǎng)的氫氣為2類燃氣設(shè)備提供燃氣。

式中：Lgas為天然氣熱值（單位為kW·h／m3）；MGT(t)、MGB(t)分別為t時段燃氣輪機、燃氣鍋爐的用氣量（按天然氣熱值折算為功率）。

2）系統(tǒng)設(shè)備的運行約束。

（1）燃氣設(shè)備的運行約束。系統(tǒng)的燃氣設(shè)備包括燃氣輪機、燃氣鍋爐，前者可實現(xiàn)電熱聯(lián)供，其能量轉(zhuǎn)換約束見式（15）和式（16），發(fā)電功率上下限約束見式（17）；后者則專用于燃氣供熱，其能量轉(zhuǎn)換約束見式（18），產(chǎn)熱功率上下限約束見式（19）。

（2）氫儲能單元的運行約束。電解槽、燃料電池的功率上下限約束分別見式（20）和式（21），儲氫SOC、儲熱SOC 的上下限約束分別見式（22）和式（23）。

在配置過程中一般還需要保證SOC在日調(diào)度周期的始、末值不變，如式（24）和式（25）所示。

式中：T為日調(diào)度周期的時段數(shù)量。

3）系統(tǒng)管網(wǎng)約束。

考慮到實際能量網(wǎng)絡(luò)的物理約束，外部電網(wǎng)購電量、外部氣網(wǎng)購氣量均應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi)，即需滿足：

另外，考慮到天然氣管網(wǎng)的安全性及終端燃具的燃燒性能，天然氣中的混氫體積應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi)，即需滿足［10］：

式中：LH2為氫氣熱值；λH2G為最大混氫比例。

4）其他運行約束。

失電負荷、失熱負荷、棄風(fēng)棄光均需控制在一定的范圍內(nèi)，即需滿足：

式中：λe、λh、λct分別為最大失電負荷、失熱負荷、棄風(fēng)棄光比例。

以式（7）—（11）為目標函數(shù)，以式（1）—（6）、（12）—（31）為約束條件，建立園區(qū)IES 中氫儲能優(yōu)化配置的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，并基于MATLAB平臺調(diào)用CPLEX商業(yè)求解器進行求解。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

本文選取某園區(qū)IES［16］為研究對象，基本參數(shù)見附錄A表A1。外部電網(wǎng)購電和外部氣網(wǎng)購氣的價格見文獻［18］。最大失電、失熱負荷比例均為5%，失負荷懲罰單價為實時電價的10 倍；最大棄風(fēng)棄光比例為10%，棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)為0.2元／（kW·h）。最大混氫比例為20%［16］。碳排放價格為250 元／t，電能碳排放因子為40 kg／（MW·h），天然氣碳排放因子則按CH4的數(shù)據(jù)計算［11］。電解槽和燃料電池的熱容、熱阻參數(shù)見文獻［18］。

選取該園區(qū)全年的風(fēng)電、光伏、電負荷、熱負荷數(shù)據(jù)作為基準，以1 a 為周期進行氫儲能優(yōu)化配置，分析了4 個季節(jié)的多個典型日場景，其中某一典型日的功率曲線見附錄A 圖A1。該園區(qū)春、秋季的電負荷和熱負荷適中，夏季的電負荷高而熱負荷低，冬季的熱負荷高而電負荷低。園區(qū)的清潔能源以風(fēng)電為主、光伏為輔，冬季的清潔能源充足，春秋次之，夏季有所匱乏。圖A1 中4 個典型日的清潔能源滲透率（清潔能源總出力與總電負荷量之比）分別為68%、44%、79%、105%，熱電負荷比例（總熱負荷與總電負荷之比）分別為76%、19%、76%、176%。

為了評估配置氫儲能的經(jīng)濟和環(huán)境效益，在常規(guī)IES 的基礎(chǔ)上［16］，進行氫儲能單元、常規(guī)儲能（蓄電池+儲熱罐）的優(yōu)化配置對比分析。其中，2 類儲能的基本參數(shù)見附錄A表A2。

4.2 優(yōu)化配置結(jié)果分析

經(jīng)計算，該園區(qū)IES 的常規(guī)儲能最優(yōu)配置結(jié)果為：蓄電池的配置容量、功率分別為98.9 kW·h、11.39 kW，儲熱罐的配置容量為270.51 kW·h。氫儲能最優(yōu)配置結(jié)果為：電解槽、燃料電池的配置功率分別為65.86、15.11 kW，儲氫罐的配置容量為237.47 kW·h。最優(yōu)配置下的各項成本如表1所示。

表1 最優(yōu)配置下的各項成本Table 1 Cost under optimal configuration 單位：萬元

由上述結(jié)果可知，相比于常規(guī)儲能，氫儲能在減少系統(tǒng)購能量和碳排放量方面的表現(xiàn)更加突出。園區(qū)IES 中主要碳排放來源是購入的燃氣，氫儲能通過減少燃氣購入量從而降低了購能成本（減少了3.7%）和碳排放折算成本（減少了8.3%），在減少棄風(fēng)棄光方面也有一定的優(yōu)勢。由于系統(tǒng)的清潔能源富足，配置2類儲能時均未出現(xiàn)失負荷現(xiàn)象。

配置常規(guī)儲能和氫儲能時各季節(jié)單個典型日的總體電、熱平衡結(jié)果如圖2 所示，圖中單個季節(jié)下的左、右2 個條形分別對應(yīng)配置氫儲能（燃料電池+電解槽+儲氫罐）、常規(guī)儲能（蓄電池+儲熱罐）。

由圖2（a）可知，在清潔能源最充裕的冬季，氫儲能通過制造大量的氫氣，將富余的清潔能源轉(zhuǎn)化為氫氣進行存儲，并在制氫、燃氫的過程中提供大量的熱能以滿足熱負荷；而常規(guī)儲能中的蓄電池總體上充放電平衡，缺乏多能轉(zhuǎn)化能力，因此仍存在一定的棄風(fēng)棄光功率。而在清潔能源較匱乏的夏季，氫儲能基本處于不工作狀態(tài)，在減少購能量方面也無優(yōu)勢。在春秋季，氫儲能在谷時的耗電量、在峰時的供電量均高于常規(guī)儲能中的蓄電池，盡管供電轉(zhuǎn)化效率不高，需要更多的燃氣輪機出力，但一部分富足的清潔能源得以轉(zhuǎn)化為氫能、熱能等其他形式，減少了燃氣鍋爐的購氣供熱需求，進而減少了碳排放量。

圖2 IES的電、熱能平衡結(jié)果Fig.2 Electrical and thermal energy balance results of IES

由圖2（b）可知，氫儲能得益于其多能聯(lián)儲聯(lián)供能力，對外提供一定的凈熱負荷。在春、夏、秋3 個季節(jié)，無需燃氣鍋爐工作，僅由氫儲能和電熱聯(lián)供的燃氣輪機協(xié)同工作就能滿足系統(tǒng)的負荷需求，這3個季節(jié)的購氣量平均降低了6.3%。冬季由于熱負荷較高，配置常規(guī)儲能、氫儲能時均出現(xiàn)了燃氣鍋爐大功率工作的情形，但氫儲能對外提供了14%的熱負荷，從而降低了12.7%的購氣量，顯著降低了購能成本與碳排放量；夏季的總體熱負荷較低，配置氫儲能與常規(guī)儲能并無明顯差異。

4.3 典型場景分析

為了進一步分析氫儲能的工作特性，以氫儲能發(fā)揮優(yōu)勢最為明顯的冬季典型日為例，其儲氫SOC、儲熱SOC特性曲線及功率變化曲線如圖3所示。

圖3 冬季典型日氫儲能的特性曲線Fig.3 Characteristic curves of hydrogen energy storage in winter typical day

由圖3（a）可知，儲熱SOC 的變化基本與熱負荷相關(guān)，主要有3 個下降時段：①在00:00—03:00 時段下降主要是因為風(fēng)電出力較多，超過電負荷需求，氫儲能及時將風(fēng)電轉(zhuǎn)化為熱能以供應(yīng)一部分熱負荷；②在08:00—12:00 時段下降是因為熱負荷增長迅速，此時風(fēng)電和光伏均處于較高出力水平，氫儲能合理轉(zhuǎn)化清潔能源供應(yīng)該短時熱負荷高峰；③在15:00—21:00 時段下降是因為，該時段為第二個熱負荷高峰時段，且持續(xù)時間較長，氫儲能此時深度放熱供應(yīng)熱負荷高峰需求。在其余時段熱負荷相對較低，氫儲能主要處于吸熱存儲狀態(tài)。儲氫SOC的變化則與清潔能源出力高度相關(guān)，00:00—05:00、08:00—12:00分別為風(fēng)電、光伏出力較高時段，此時清潔能源出力高于電負荷需求，氫儲能大量制氫進行存儲，儲氫SOC 快速上升，且這2 個時段也是供熱的主要時段；15:00—21:00則為用電高峰時段，此時清潔能源出力顯著低于電負荷需求，氫儲能開始燃氫發(fā)電，儲氫SOC快速下降，直至22:00左右，電負荷下降，風(fēng)電出力上升，儲氫SOC逐漸回升。

由圖3（b）知，不同于常規(guī)儲能的充放互斥現(xiàn)象，電解槽產(chǎn)氫、燃料電池耗氫及天然氣管網(wǎng)混氫這3 種方式可靈活配合，在01:00—06:00、09:00—12:00 等時段，氫儲能利用富足的風(fēng)電、光伏大量制氫進行存儲，且少量地利用燃料電池供應(yīng)一部分的電、熱負荷；在13:00—24:00時段則集中利用燃料電池，滿足電、熱負荷高峰需求。天然氣管網(wǎng)混氫則集中于07:00—20:00時段，涵蓋了主要的用電、用熱高峰時段，削減了一部分購氣供能需求，進而減少了碳排放量。

綜上所述，氫儲能在清潔能源富足、熱負荷需求高的場景下發(fā)揮其多能聯(lián)儲聯(lián)供的優(yōu)勢，通過多能耦合實現(xiàn)富足清潔能源的及時轉(zhuǎn)化和存儲，通過高效的多能聯(lián)儲聯(lián)供、天然氣混氫等方式，降低系統(tǒng)峰時段的購氣需求，從而有效降低了系統(tǒng)的碳排放量。

4.4 關(guān)鍵影響因素分析

4.4.1 清潔能源發(fā)電及熱電負荷特性影響分析

園區(qū)的清潔能源發(fā)電及負荷特性對氫儲能在園區(qū)IES 中降低碳排放的效果有重要的影響。為了進一步驗證配置氫儲能的低碳優(yōu)勢，在4.2節(jié)算例的基礎(chǔ)上，考慮以下3 種場景：①場景1，熱電負荷比例低，清潔能源發(fā)電不足，且全年一半時間的清潔能源、負荷特性見附錄A 圖A1（b）；②場景2，熱電負荷比例適中，清潔能源發(fā)電較充足，全年的整體清潔能源、負荷特性見附錄A 圖A1（a）、（c）；③場景3，熱電負荷比例高，清潔能源發(fā)電充足，且全年一半時間的清潔能源、負荷特性見附錄A 圖A1（d）。場景1—3的全年平均清潔能源滲透率分別為61%、73%、85%，全年平均熱電負荷比例分別為55%、79%、116%。場景1—3的優(yōu)化配置結(jié)果如表2所示。

表2 場景1—3的優(yōu)化配置結(jié)果Table 2 Optimal configuration results of Scenario 1，2 and 3

由表2可知，由于場景1全年大多數(shù)時間熱電負荷比例低，清潔能源匱乏，氫儲能缺乏能量轉(zhuǎn)化來源，在谷時低價購電制氫，在峰時供電、供熱，減少了峰時的購氣需求，雖然碳排放有所降低，但購能成本相對增加了5%，綜合效益反而不如常規(guī)儲能。由于場景2 的全年清潔能源較充足且熱電負荷比例適中，氫儲能有一定的能力消納和轉(zhuǎn)化清潔能源，對燃氣形成了良好的替代，相較于配置常規(guī)儲能，配置氫儲能的購能成本、碳排放折算成本分別下降了4.2%、6.8%，但受制于較高的投資成本，配置氫儲能的年投資運行總成本僅稍有減少（2.7%）。由于場景3 全年大多數(shù)時間清潔能源充裕，熱電負荷比例高，配置氫儲能時能充分發(fā)揮其多能聯(lián)儲聯(lián)供能力，消納清潔能源同時供應(yīng)部分熱能，減少了系統(tǒng)的購氣量；而配置常規(guī)儲能時，由于缺乏多能轉(zhuǎn)化能力，清潔能源消納不足，需配置大容量的儲能才能滿足消納要求，綜合效益較差。場景3 下，相較于配置常規(guī)儲能，配置氫儲能的購能成本、碳排放折算成本和年投資運行總成本分別減少了4.5%、9.8%、7.5%。

可見，在清潔能源資源豐富、熱電負荷比例較高的場景下，氫儲能具有良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。當清潔能源出力一般且熱電負荷相當時，氫儲能的環(huán)境效益更佳，但經(jīng)濟效益不夠明顯。

4.4.2 碳排放價格影響分析

碳排放價格直接影響目標函數(shù)中環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的比重，對最優(yōu)配置結(jié)果以及總碳排放量有直接影響。考慮到我國碳交易尚處于初步發(fā)展階段，碳排放權(quán)交易價格顯著低于碳排放成本［19］，不能合理地反映環(huán)境效益，故本文中的碳排放價格選用實際的碳排放成本，而非碳排放權(quán)交易價格。根據(jù)文獻［19］，現(xiàn)階段的碳減排成本約為300元／t，而考慮到價格理論，合適的碳減排成本未來應(yīng)該會達到2 000 元／t。不同碳排放價格下的碳排放量和儲能配置結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同碳排放價格下的碳排放量Fig.4 Carbon emission under different carbon emission prices

圖5 不同碳排放價格下的儲能配置結(jié)果Fig.5 Configuration results of energy storage under different carbon emission prices

由圖4可知，在含高比例清潔能源的園區(qū)IES中配置氫儲能，碳排放量隨著碳排放價格的上升而逐漸減少；而配置常規(guī)儲能時，碳排放量在碳排放價格為1 200 元／t 之前有小幅度下降，之后趨于平穩(wěn)。常規(guī)儲能本身不具備能量轉(zhuǎn)換和替代能力，即使有政策驅(qū)動，其對系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)的改善作用也較有限，僅能小幅度降低系統(tǒng)的碳排放量。因此，系統(tǒng)不會顯著擴大常規(guī)儲能的配置容量，如圖5（a）所示，常規(guī)儲能中蓄電池的配置容量在較大的碳排放價格區(qū)間內(nèi)無明顯變化。氫能自身無碳排放，且氫儲能單元具有多能聯(lián)儲聯(lián)供能力，因此在政策的有效刺激下，氫儲能在原有供能、儲能系統(tǒng)中的比重和作用不斷提升，從而進一步降低了系統(tǒng)對高碳排能源的需求。由圖5（b）可知，氫儲能中電解槽、燃料電池、儲氫罐的配置功率／容量均隨碳排放價格的上升而顯著增大，系統(tǒng)傾向于擴大配置容量以獲取更高的碳減排效益。

目前，國外的碳排放價格約為250 元／t［11］，考慮到當前我國提出了2060 年實現(xiàn)碳中和的承諾，且預(yù)計未來會施行更加積極的碳減排政策。因此，從長遠角度而言，氫儲能在降低碳排放量方面會有更加廣闊的應(yīng)用前景。

4.4.3 氫儲能投資成本影響分析

儲能單元的投資成本對其在IES 中的最優(yōu)配置及經(jīng)濟、環(huán)境效益有直接的影響。針對氫儲能單元中各類設(shè)備（特別是電解槽和燃料電池）的研究和應(yīng)用還處于初步階段，其投資成本在未來有較大的下降空間?；?.4.2 節(jié)對碳排放價格的影響分析，假設(shè)未來的碳排放價格為1 200 元／t，此時年投資運行總成本、年碳排放量隨氫儲能投資成本下降幅度的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同氫儲能投資成本下的年投資運行總成本和年碳排放量Fig.6 Total annual investment and operation costs and annual carbon emissions under different investment costs of hydrogen energy storage

由圖6（a）可看出，年投資運行總成本隨氫儲能投資成本的下降基本呈均勻下降趨勢。由圖6（b）可看出，碳排放量總體也呈下降趨勢，但這種下降趨勢是階梯式的。當投資成本下降幅度位于0～10%和40%～45%范圍內(nèi)時，氫儲能投資成本下降，擴大配置后碳排放量及購能成本的減少程度多于投資成本的增長程度，IES 傾向于擴大氫儲能的配置容量，清潔能源得到進一步的消納和轉(zhuǎn)化，燃氣需求和碳排放量迅速下降；而當投資成本下降幅度位于10%～40%范圍內(nèi)時，碳排放效益不足以抵消擴大配置所增大的投資成本，故系統(tǒng)不會顯著擴大配置容量，碳排放量無明顯變化。因此，碳排放量整體呈現(xiàn)階梯式的下降趨勢。關(guān)于各階段的具體特征，還有待后續(xù)更加深入的研究。

5 結(jié)論

本文結(jié)合氫儲能無碳排放、多能聯(lián)儲聯(lián)供的特性，考慮工業(yè)園區(qū)IES 的電源和負荷需求特點，提出了以氫儲能為能量樞紐的低碳園區(qū)IES 架構(gòu)，建立了具有雙SOC特點的氫儲能多能聯(lián)儲聯(lián)供模型以及園區(qū)IES 中氫儲能單元的優(yōu)化配置模型。結(jié)合實際園區(qū)IES 的數(shù)據(jù)進行算例仿真和分析，結(jié)果表明：在清潔能源資源富足、熱電負荷比例較高的園區(qū)，配置氫儲能可以有效提高園區(qū)IES 的綜合能效，降低供能成本和碳排放量，具有重要的經(jīng)濟和環(huán)境價值。本文的研究工作可為未來園區(qū)IES 的低碳化發(fā)展提供一定的借鑒，關(guān)于其他類型能源系統(tǒng)配置氫儲能的低碳效益論證與分析，還有待更加深入的研究。

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