李 爭(zhēng), 羅曉瑞, 徐若思, 曹 欣, 杜深慧, 孫鶴旭
(1.河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 石家莊 050018; 2.河北建投新能源有限公司, 石家莊 050051)
經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來的非傳統(tǒng)問題越來越突出,嚴(yán)重威脅人類的生產(chǎn)生活,尋求新型替代能源已成為當(dāng)下能源體系轉(zhuǎn)型首選。為應(yīng)對(duì)氣候問題,第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)提出了“凈碳排放”,即碳中和目標(biāo)[1-2]。為此,中國(guó)制定了“3060”碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo),碳達(dá)峰是量變、碳中和是質(zhì)變。碳中和的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,涉及經(jīng)濟(jì)、能源、社會(huì)及氣候等眾多領(lǐng)域,其中調(diào)整能源供應(yīng)系統(tǒng)體系,構(gòu)建多元、清潔、低碳的能源供應(yīng)體系是一項(xiàng)重要舉措[3]。在電力系統(tǒng)方面,尋求非化石能源發(fā)電成為重點(diǎn)研究方向。
近年來,隨著可再生能源并網(wǎng)容量的增加,給電網(wǎng)帶來了一系列弊端。由于風(fēng)能、太陽能具有間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn),會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)波動(dòng),造成一定的沖擊[4]。氫能作為21世紀(jì)的終極能源[5],具有高效、無污染的特點(diǎn);相較于風(fēng)能、太陽能,可以進(jìn)行存儲(chǔ);作為零碳能源,氫能是實(shí)現(xiàn)化石能源和可再生能源過渡和轉(zhuǎn)換的重要橋梁[6]。
為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),尋求有效的低碳減排方式,是目前各個(gè)行業(yè)轉(zhuǎn)型的重要目標(biāo)之一。本文就發(fā)電領(lǐng)域如何實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo),針對(duì)氫儲(chǔ)能這一具體減排方式進(jìn)行研究分析,搭建碳中和背景下的氫儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)模型,通過實(shí)例驗(yàn)證,為企業(yè)提供一些能源轉(zhuǎn)型的建議和措施。
環(huán)境問題日益突出,實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型已成為各行各業(yè)未來幾年的重要目標(biāo)。在節(jié)能減排大環(huán)境下,提出一種以低能耗、低污染、低排放為特征的經(jīng)濟(jì)模式,即低碳經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過研究可知,低碳背景下的經(jīng)濟(jì)模式,對(duì)于企業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響并無明顯的差異[7-8]。在新的發(fā)展形勢(shì)下,企業(yè)發(fā)展,尤其是高消耗、高排放企業(yè),轉(zhuǎn)變發(fā)展模式、實(shí)現(xiàn)低碳綠色的循環(huán)發(fā)展已成為該類型企業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)[8-9]。
氫能是一種柔性環(huán)保能源,無污染,能夠儲(chǔ)存;相較于飛輪、蓄電池、壓縮空氣、蓄水等儲(chǔ)能方式,氫能的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到100 GW·h以上,放電時(shí)長(zhǎng)可達(dá)1 000 h以上[10-11]。目前,世界上普遍認(rèn)為,氫儲(chǔ)能技術(shù)可以作為一種用作平衡可再生能源裝機(jī)容量較高的電網(wǎng)供需的潛在解決方案,也是智能電網(wǎng)和再生能源規(guī)模化的重要支撐[12]。
氫儲(chǔ)能參與風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量調(diào)節(jié)具有重要意義,文獻(xiàn)[13-14]針對(duì)含氫儲(chǔ)能微網(wǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間尺度下計(jì)及風(fēng)電出力不確定性的多目標(biāo)系統(tǒng)規(guī)劃配置,仿真證明氫能對(duì)提升微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和靈活性作用顯著。文獻(xiàn)[15-16]通過燃料電池實(shí)現(xiàn)熱電綜合利用,從而提高含電解制氫設(shè)備綜合能源系統(tǒng)的能源利用率與系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。綜上所述,氫儲(chǔ)能技術(shù)在緩解棄能現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)、減少能源浪費(fèi)具有技術(shù)可行性。
可以將氫儲(chǔ)能技術(shù)理解為化學(xué)儲(chǔ)能的變形,是實(shí)現(xiàn)“電-氣-電”能量轉(zhuǎn)換的重要途徑之一。該技術(shù)將氫氣作為能量轉(zhuǎn)換的中間橋梁,利用多余的、非高峰、低質(zhì)量的電能電解制氫并將其進(jìn)行儲(chǔ)存;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)電端供應(yīng)不足時(shí),通過燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、內(nèi)燃機(jī)等將氫能轉(zhuǎn)換成電能并輸送上網(wǎng)。氫儲(chǔ)能的技術(shù)路線如圖1所示。
圖1 氫儲(chǔ)能技術(shù)路線
整個(gè)氫儲(chǔ)能環(huán)節(jié)主要包括制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫、用氫3個(gè)環(huán)節(jié),每個(gè)環(huán)節(jié)相應(yīng)的技術(shù)種類多樣。其中,制氫技術(shù)主要有工業(yè)副產(chǎn)氫、化石燃料制氫、電解水制氫以及新型制氫(生物制氫)等;儲(chǔ)氫技術(shù)主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、液氫儲(chǔ)運(yùn)、固態(tài)儲(chǔ)運(yùn)和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)等技術(shù);氫能主要應(yīng)用于石化工業(yè)、交通領(lǐng)域、航天領(lǐng)域等領(lǐng)域[17-20]。電解水制氫技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)“電-氣”轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)又可以分為堿水電解、固體氧化物電解和PEM純水電解,其中,堿水電解技術(shù)成熟可靠、商業(yè)化程度高、成本低廉,是可再生能源制備氫能的首選技術(shù)[21]。在用氫負(fù)荷端,燃料電池是實(shí)現(xiàn)“氣-電”轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù),根據(jù)電解質(zhì)和工作環(huán)境溫度工況的不同主要分為堿性電解質(zhì)、質(zhì)子交換膜、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等,其中質(zhì)子交換膜燃料電池因其發(fā)電效率較高、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于可再生能源領(lǐng)域。本文采取堿水電解制氫技術(shù)用于制備氫氣;采用高壓氣態(tài)方式儲(chǔ)運(yùn)氫;在用氫端,則主要采用堿性燃料電池。
模型目標(biāo)函數(shù):碳中和條件下的系統(tǒng)凈效益最大,即系統(tǒng)的收益與成本差值最大。具體計(jì)算公式為
REtotal=max{Ytotal-Xtotal}
(1)
式中:Ytotal為系統(tǒng)總收入;Xtotal為系統(tǒng)總支出。
系統(tǒng)邊界條件具體如下。
1)碳中和約束。工廠的碳排放主要來源于工廠所耗費(fèi)的電能,碳中和的約束條件是指工廠所耗費(fèi)的電能全部來自風(fēng)電、光伏、燃料電池出力所產(chǎn)生的電能,即
Cemission≤0
(2)
式中,Cemission為工廠的碳排放量。
2)場(chǎng)地約束。依據(jù)現(xiàn)有的廠房、辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓樓頂,停車場(chǎng)、垃圾場(chǎng)棚頂,工廠外圍灘涂等空閑面積進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)。
Ssystem≤Sroof+Sceiling+Smudflat
(3)
式中:Ssystem為系統(tǒng)建設(shè)面積;Sroof為廠房、辦公樓、實(shí)驗(yàn)樓樓頂總面積;Sceiling為停車場(chǎng)、垃圾房所建設(shè)的棚頂面積;Smudflat為所允許的灘涂建設(shè)面積。
3)供電平衡約束。工廠24 h滿負(fù)荷運(yùn)行,電能的連續(xù)供應(yīng)尤為重要,因此,系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)需要滿足工廠的用電需求,即
Pload≤PPV+PWind+PStorage
(4)
式中:Pload為工廠所耗費(fèi)的電能;PPV、PWind、PStorage分別為光伏電站、風(fēng)電機(jī)組、氫儲(chǔ)能模塊(儲(chǔ)能電池單元)出力能力。
4)氫儲(chǔ)能容量約束。氫儲(chǔ)能模塊中中高壓儲(chǔ)氫罐的氫氣儲(chǔ)存和釋放有要求,在使用過程中,氫氣的使用量應(yīng)該在這一范圍內(nèi),即
mincapacity≤HH2≤maxcapacity
(5)
式中,mincapacity、maxcapacity分別為儲(chǔ)氫罐的最小儲(chǔ)氫量和最大儲(chǔ)氫量。
5)儲(chǔ)能電池約束。儲(chǔ)能電池充電和放電有一定的范圍,即
minSOC≤SOC≤maxSOC
(6)
式中,minSOC、maxSOC分別為儲(chǔ)能電池的最小和最大放電深度。
6)瞬時(shí)功率約束。風(fēng)電、光伏出力具有波動(dòng)性,為防止工廠用電的穩(wěn)定性,供電系統(tǒng)需要滿足瞬時(shí)功率平衡,即
λ∑Pi(t)+HH2(t)-L(t)=0
(7)
式中:λ一般取值1.0~1.3;i為PV、Wind、Storage;HH2(t)為氫儲(chǔ)能模塊當(dāng)前儲(chǔ)能容量;L(t)為工廠實(shí)時(shí)消耗的電能。
風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)所采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)有3個(gè)分別為壽命周期成本/效益(life cycle cost/income,LCC/LCI)、年度平均成本/效益(annualized cost/income of system,ACS/AIS)和平準(zhǔn)化能源成本/效益(levelized cost/income of energy,LCOE/LIOE),計(jì)算公式如下[22-24]:
LCC=C+M+G-S
(8)
LCI=E1+E2
(9)
(10)
(11)
式中:i為實(shí)際年度利率;i′為名義利率;d為年度膨脹率;C′為L(zhǎng)CC或者LCI;Pgen(t)表示t時(shí)刻風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)電功率。
基于系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系,依照項(xiàng)目前評(píng)價(jià)原則,建立基于碳中和目標(biāo)下的成本-效益模型。目前,基于電網(wǎng)的實(shí)際情況,風(fēng)電、光伏并網(wǎng)時(shí)需要考慮系統(tǒng)成本和非系統(tǒng)成本。其中,非系統(tǒng)成本主要由初始建設(shè)投資、更換成本、運(yùn)維成本、報(bào)廢成本4部分組成。由于該系統(tǒng)的建立主要是用來維持自己工廠內(nèi)部消耗,上網(wǎng)電量符合電網(wǎng)需要,因此非系統(tǒng)成本忽略不計(jì)。
系統(tǒng)成本主要包括以下幾方面。
1)初始建設(shè)投資C:包括設(shè)備購(gòu)買、運(yùn)輸、安裝費(fèi)用,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用等。
(12)
式中:j為PV、Wind、Storage、Inv(逆變器)、Con(控制器)、Other(其他);nj為設(shè)備使用期;Cj為各個(gè)模塊的裝機(jī)容量,kW;Cunit,j為單位裝機(jī)容量成本,萬元/kW;C0為其他初始投資費(fèi)用。
2)更換成本G:系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期間,更換部分設(shè)備的費(fèi)用,如逆變器、儲(chǔ)能電池、控制器等。
(13)
式中,xj為各個(gè)模塊相應(yīng)的數(shù)量。
3)運(yùn)維成本M:系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期間,所需支付的運(yùn)維人員的工資、福利、運(yùn)維等費(fèi)用。
(14)
式中,C0為首年運(yùn)維成本。
4)報(bào)廢成本S:當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)運(yùn)營(yíng)期,設(shè)備拆除、回收所耗費(fèi)的成本,該部分目前沒有好的處理方案,忽略不計(jì)。
碳中和目標(biāo)下的效益模型主要是從碳排放收益和電能效益兩個(gè)方面進(jìn)行分析[25]。
1)碳排放收益E1:該部分收益主要是依據(jù)清潔發(fā)展機(jī)制(CMD),基于碳排放交易市場(chǎng),通過減排量(CER)的交易獲得收益。
E1=V1ct=∑PiVict
(15)
式中:ct為單位碳排放權(quán)的價(jià)格;Vi為單位發(fā)電量碳排放量[26-27]。
2)電能效益E2:電能效益主要分為兩部分,一部分是自產(chǎn)自銷省去的費(fèi)用,一部分是上網(wǎng)售電的收入。
E2=Ploadcind+(∑Pi-Pload)cgrid
(16)
式中:Pload表示負(fù)載所需功率;cind表示電網(wǎng)銷售電價(jià);Pi表示風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的發(fā)電功率;cgrid表示上網(wǎng)電價(jià)。
結(jié)合某工廠的實(shí)際情況,對(duì)成本-效益模型進(jìn)行驗(yàn)證。該工廠位于長(zhǎng)三角南部沿海地區(qū),該地區(qū)為平原地帶,地勢(shì)平坦,海拔較低;屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),暖季氣候溫潤(rùn),主要盛行東風(fēng)/東南風(fēng),冷季氣候干旱,主要盛行北風(fēng)/西北風(fēng);地處中國(guó)東南部,風(fēng)能資源豐富,年平均風(fēng)速為6.6 m/s,全年大風(fēng)時(shí)數(shù)高達(dá)7 000~8 000 h;太陽能資源較為豐富,年太陽輻射總量4 200~5 000 MJ/m2。
工廠依據(jù)現(xiàn)有的建筑屋頂、汽車棚、海邊灘涂等面積,建設(shè)風(fēng)電、光伏—?dú)鋬?chǔ)能混合系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由以下模塊組成:風(fēng)電機(jī)組、光伏電站、氫儲(chǔ)能模塊(堿水電解槽、中高壓儲(chǔ)氫罐、堿性燃料電池)、蓄電池儲(chǔ)能單元、控制單元、變流模塊、逆變單元;主要有蓄電池儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能兩條儲(chǔ)能線路。系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。
當(dāng)風(fēng)電、光伏產(chǎn)生的電能大于負(fù)荷所需時(shí),用富余的電能電解水制備氫氣或存儲(chǔ)于蓄電池中;當(dāng)風(fēng)電、光伏提供的電能不能滿足負(fù)荷所需時(shí),需要?dú)鋬?chǔ)能單元和蓄電池儲(chǔ)能單元進(jìn)行工作滿足負(fù)荷所需。系統(tǒng)電能流動(dòng)邏輯示意圖如圖3所示。
該工廠共有5個(gè)廠區(qū),其中一個(gè)廠區(qū)主要生產(chǎn)光伏組件,屬于制造型企業(yè)。該工廠實(shí)行輪班制度,設(shè)備每天24 h不間斷運(yùn)行(全年按365 d考慮,不考慮節(jié)假日),每個(gè)月有兩天時(shí)間處于半停產(chǎn)期用于進(jìn)行設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù),耗電量為滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的一半。根據(jù)實(shí)際情況,基于前幾年因設(shè)備故障、停電事故等造成的停產(chǎn)情況,選取每年20 d的停產(chǎn)期。單個(gè)廠區(qū)內(nèi)主要用電設(shè)備清單見表1。
圖2 風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能混合系統(tǒng)示意圖
圖3 系統(tǒng)電能流動(dòng)邏輯示意圖
廠區(qū)內(nèi)部的功率負(fù)荷浮動(dòng)范圍為150~300 kW,假設(shè)該工廠可以運(yùn)營(yíng)20年,因設(shè)備損耗等情況,電能每年按照1%增長(zhǎng),以每日最大功率負(fù)荷計(jì)算,因此廠區(qū)20年內(nèi)的耗電量情況如圖4所示。
系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)首先需要滿足單個(gè)廠區(qū)內(nèi)所有用電設(shè)備的用電量;其次需要考慮廠區(qū)允許承建設(shè)備的面積;再者,為應(yīng)對(duì)突發(fā)停電等情況,需要3 d的儲(chǔ)能裕量。廠區(qū)空閑面積見表2。
表1 單個(gè)廠區(qū)內(nèi)主要用電設(shè)備統(tǒng)計(jì)
圖4 廠區(qū)20年內(nèi)耗電量情況
表2 空閑面積統(tǒng)計(jì)
根據(jù)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)和空閑面積限制,盡可能地設(shè)計(jì)更多容量的發(fā)電單元以增加效益。根據(jù)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)容量結(jié)果見表3,其中風(fēng)電機(jī)組單臺(tái)容量為3 MW,單片光伏組件的功率為450 W。
依據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光資源,結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際容量,估算出風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量和光伏電站的年發(fā)電量,假設(shè)第一年衰減率為2.5%,之后每年發(fā)電功率以1%速率衰減,系統(tǒng)綜合效率為80%,如圖5、圖6所示。
表3 系統(tǒng)容量
圖5 月有效風(fēng)時(shí)數(shù)、月峰值日照時(shí)數(shù)折線圖
風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)碳中和成本核查集中于以下幾部分:
1)系統(tǒng)的初始投資成本主要集中于設(shè)備的購(gòu)買和安裝兩部分費(fèi)用。各部分主要的經(jīng)濟(jì)及技術(shù)參數(shù)見表4。
圖6 發(fā)電量統(tǒng)計(jì)
表4 各部分主要的經(jīng)濟(jì)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)
2)運(yùn)維成本主要是運(yùn)維人員的工資福利和運(yùn)維費(fèi)用,因公司內(nèi)部有技術(shù)部門,系統(tǒng)的運(yùn)維由技術(shù)人員處理,該部分費(fèi)用不用計(jì)算在系統(tǒng)模型成本計(jì)算中,只需要計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。
3)更換成本主要是針對(duì)一些壽命比較短的設(shè)備,在系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)進(jìn)行更換而產(chǎn)生的成本。
通過表4分析,20年系統(tǒng)的總的碳中和成本為5 495.596 5萬元,詳細(xì)占比情況如圖7所示。
圖7 20年系統(tǒng)成本占比
碳中和的收益估算主要集中于碳排放效益和電能效益兩部分。
3.5.1 碳排放效益
目前碳排放交易市場(chǎng)上1 t二氧化碳的碳排放權(quán)的價(jià)格從30元到80元不等,本文選取每度電排放二氧化碳為0.997 kg,碳排放權(quán)價(jià)格為60元/t[22]。因此,20年碳排放總效益為1 771.536萬元,如圖8所示。
圖8 20年碳排放效益統(tǒng)計(jì)
3.5.2 電能效益
電能效益主要分為兩部分,其一是自產(chǎn)自銷省去的電費(fèi)成本,其二是用于并網(wǎng)的電能出售效益。
選取工業(yè)用電的價(jià)格為0.634 7元/(kW·h),風(fēng)電、光伏上網(wǎng)電價(jià)為0.6元/(kW·h)。經(jīng)過計(jì)算,20年總的電能效益為8 812.90萬元,如圖9所示。
基于上述分析,設(shè)年度實(shí)際利率為4.9%,月名義利率為1.637 5%,通貨膨脹率為2.5%,并假設(shè)其20年內(nèi)不變。對(duì)風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝前后的LCC/LSI、ACS/AIS、LCOE/LOOE 6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析,見表5。
從表5可以看出,風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)會(huì)有一定的建設(shè)投入,度電成本有所提升,但是LCI、AIS以及LICO的指標(biāo)明顯高于成本投入,相較于初期投資而言,項(xiàng)目收益可觀,該項(xiàng)目是可行的,對(duì)于耗電企業(yè)而言,實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”目標(biāo)提供了一條有效途徑。
對(duì)發(fā)電量、系統(tǒng)單位成本和廠區(qū)耗電量3個(gè)影響因素進(jìn)行敏感性分析,令各個(gè)因素分別上下調(diào)整10%、20%,計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)部收益率,詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表6。
表6 風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)敏感性分析統(tǒng)計(jì) %
根據(jù)表6可知,風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)電量、系統(tǒng)單位成本和廠區(qū)耗電量的平均敏感度分別為3.68、3.85和2.89,顯然,內(nèi)部收益率對(duì)于系統(tǒng)單位成本的反應(yīng)最為敏感,在施工建設(shè)初期階段,成本控制顯得尤為重要。
針對(duì)風(fēng)電、光伏-氫儲(chǔ)能系統(tǒng)而言,雖然前期投入較大,但是LCI、AIS以及LICO的指標(biāo)明顯高于成本投入,系統(tǒng)建設(shè)具有可行性。此外,系統(tǒng)內(nèi)部收益率對(duì)于系統(tǒng)單位成本最為敏感,因此系統(tǒng)建設(shè)時(shí)需要嚴(yán)格把控系統(tǒng)成本,減少不必要的開支,為后續(xù)雙碳目標(biāo)下制造型公司能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供了思路。