亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        氫能驅(qū)動(dòng)下鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)優(yōu)化配置

        2022-07-26 06:59:42張鵬成柯德平孫元章廖思陽(yáng)
        電力系統(tǒng)自動(dòng)化 2022年14期
        關(guān)鍵詞:電解槽氫能鋼鐵

        張鵬成,徐 箭,柯德平,孫元章,廖思陽(yáng)

        (武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院,湖北省武漢市 430072)

        0 引言

        “碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)的提出給電力行業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域等提出了更高要求,電源側(cè)要推動(dòng)構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),負(fù)荷側(cè)要推動(dòng)綠色制造[1]。當(dāng)前,新能源發(fā)展迅速,截至2020 年風(fēng)光新能源裝機(jī)容量已經(jīng)突破500 GW,占全部電源總裝機(jī)容量的比例達(dá)24%[2];負(fù)荷側(cè)清潔能源發(fā)展也有一定進(jìn)展,已有多個(gè)研究和示范工程通過(guò)高比例消納新能源來(lái)實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的碳減排[3-6]。然而,工業(yè)領(lǐng)域碳排放占全國(guó)碳排放的比例仍然較高,其中鋼鐵工業(yè)碳排放占全國(guó)總碳排放的比例高達(dá)15%[7]。

        鋼鐵園區(qū)中,高爐煉鐵、焦化等鐵前工序及物流運(yùn)輸是高碳排放環(huán)節(jié)。其中,高爐煉鐵碳排放占到整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)碳排放的70%以上[8]。伴隨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),預(yù)計(jì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)生鐵及鋼材產(chǎn)量仍將進(jìn)一步增長(zhǎng)。若不加以調(diào)整,以高爐為主要生產(chǎn)方式的鋼鐵行業(yè)碳排放也將同步增長(zhǎng)。然而,在碳市場(chǎng)逐步成熟和碳配額逐漸收緊的情況下,鋼鐵行業(yè)面臨從“相對(duì)約束”向“絕對(duì)約束”的轉(zhuǎn)變,這一約束成為鋼鐵園區(qū)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。值得注意的是,鋼鐵園區(qū)進(jìn)行電力替代的碳減排效果有限,迫切需要尋找新的介質(zhì)來(lái)促進(jìn)鋼鐵園區(qū)的深度減碳。

        研究表明,氫能可以實(shí)現(xiàn)鋼鐵園區(qū)物質(zhì)流的綠色替代,新能源電力電解水制得的氫氣(下稱綠氫)可以較好地融入現(xiàn)有的鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng),有望在煉鐵、軋鋼、物流及加熱等多個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮減碳作用。國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究和示范工程探索綠氫與鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)的耦合模式。其中,瑞典和芬蘭在2016年啟動(dòng)了HYBRIT 項(xiàng)目,探究以新能源電力為主要能源的氫基還原鐵生產(chǎn)工藝的可行性[9];德國(guó)SALCOS 項(xiàng)目采用風(fēng)力發(fā)電電解水產(chǎn)生綠氫供生產(chǎn)使用[10],奧鋼聯(lián)H2 FUTURE 項(xiàng)目通過(guò)研發(fā)氫氣替代技術(shù)來(lái)降低鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的碳排放[11]。現(xiàn)有案例印證了“新能源-氫能-鋼鐵園區(qū)”耦合能源系統(tǒng)構(gòu)建的可能性。但是,現(xiàn)有研究大多針對(duì)電制氫系統(tǒng)的容量配置問(wèn)題[12-14],考慮鋼鐵園區(qū)氫負(fù)荷特性的研究較少,未具體針對(duì)鋼鐵耦合能源系統(tǒng)的規(guī)劃和容量配置進(jìn)行研究分析,也未對(duì)市場(chǎng)化及相關(guān)因素對(duì)規(guī)劃配置的影響進(jìn)行分析。

        基于此,本文在傳統(tǒng)鋼鐵能源系統(tǒng)基礎(chǔ)上,探索新能源自發(fā)自用和綠色氫能自產(chǎn)自用新模式?;隈詈檄h(huán)節(jié)建模,構(gòu)建以園區(qū)收益凈現(xiàn)值最大為目標(biāo)的規(guī)劃模型,著重分析氫氣價(jià)格、電力市場(chǎng)化、碳市場(chǎng)與相關(guān)政策等因素對(duì)系統(tǒng)配置的影響,通過(guò)刻畫系統(tǒng)的投資風(fēng)險(xiǎn)來(lái)解釋規(guī)劃方案中存在的“偏好”特性,以期為鋼鐵行業(yè)投資相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供參考。最后,從系統(tǒng)建設(shè)、系統(tǒng)調(diào)控和項(xiàng)目推廣3 個(gè)方面闡述了值得注意的關(guān)鍵問(wèn)題,希望能促進(jìn)新能源和氫能在鋼鐵園區(qū)的應(yīng)用以及整個(gè)鋼鐵工業(yè)的低碳發(fā)展。

        1 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)分析

        1.1 園區(qū)能源系統(tǒng)分析與重構(gòu)

        鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)是典型的多能源輸入、多轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)系統(tǒng),圖1 所示為國(guó)內(nèi)某鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)示意圖。園區(qū)包括外購(gòu)電、鐵礦石及煤炭等能源輸入,焦化、燒結(jié)、高爐煉鐵等轉(zhuǎn)換過(guò)程,鼓風(fēng)機(jī)、制氧機(jī)等電力負(fù)荷以及重型卡車(簡(jiǎn)稱重卡)、機(jī)車等運(yùn)輸車輛。

        圖1 鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)Fig.1 Energy system in iron and steel park

        圖1 所示的鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)中,可分為生產(chǎn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)。生產(chǎn)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)高爐-轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝,其中高爐生產(chǎn)采用煤粉和焦炭作為還原劑,而轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過(guò)程中以鐵水及廢鋼為原料,采用甲醇制得的氫氣作為軋鋼過(guò)程的保護(hù)氣;電力系統(tǒng)中根據(jù)變電站容量及負(fù)載率情況,園區(qū)外購(gòu)電可選擇需量電費(fèi)或容量電費(fèi)2 種結(jié)算模式,年購(gòu)電費(fèi)用為數(shù)億元;運(yùn)輸系統(tǒng)包含97 輛運(yùn)輸車及114 輛非運(yùn)輸車,建有專用機(jī)車道軌,其中運(yùn)輸車均采用常規(guī)燃油車。

        園區(qū)經(jīng)過(guò)技術(shù)更新升級(jí),已經(jīng)達(dá)到超低碳排放標(biāo)準(zhǔn)。但進(jìn)一步分析可知,自備電廠中的煤氣發(fā)電導(dǎo)致的直接碳排放值得關(guān)注;運(yùn)輸系統(tǒng)中的燃油車也是碳排放的主要源頭,典型柴油重卡碳排放數(shù)據(jù)如附錄A 表A1 所示。此外,生產(chǎn)系統(tǒng)中的焦化、燒結(jié)等鐵前工序使用傳統(tǒng)化石能源,采用傳統(tǒng)工藝的高爐生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放量也較大。綜合來(lái)看,該園區(qū)仍有較大的綠色發(fā)展?jié)摿?,可以提升新能源電力利用水平、發(fā)展氫冶金、引入氫能重卡等,其核心在于氫冶金。

        碳冶金和氫冶金的簡(jiǎn)化方程分別如式(1)和式(2)所示。

        冶煉1 t 鐵水時(shí),碳冶金需消耗約0.5 t 煤炭,而由式(2)計(jì)算氫冶金需消耗53.571 kg 氫氣。計(jì)算得理想條件下氫價(jià)與煤價(jià)之比小于9.333 時(shí),氫冶金具有盈利空間和能力。考慮到式(2)為吸熱反應(yīng),實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的需氫量大于理論值[11,15-16],對(duì)氫價(jià)的要求將更為苛刻。隨著新能源的快速發(fā)展及其成本的持續(xù)下降,利用新能源耦合氫冶金將具有較好的前景[9,17]。

        研究表明,該鋼鐵園區(qū)有大片空地,屋頂及儲(chǔ)蓄池面積廣闊,具備發(fā)展屋頂光伏、漂浮式光伏等分布式發(fā)電方式的客觀條件。此外,綠氫來(lái)源廣泛且綠色低碳,可應(yīng)用于運(yùn)輸車輛、煉鐵、充當(dāng)軋鋼保護(hù)氣,以及作為焦化燒結(jié)工序的燃料。因此,本文構(gòu)建了圖2 所示的鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)。

        圖2 鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)Fig.2 Green energy system in iron and steel park

        鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)可有機(jī)融入原有系統(tǒng)中,形成新能源發(fā)電利用與氫能自產(chǎn)自用2 種模式。新能源發(fā)電可替代廠區(qū)部分負(fù)荷用電,同時(shí)供給電解槽制氫;電解槽制得的氫氣可供燃料電池發(fā)電、直接還原鐵、煉鋼保護(hù)氣及氫能重卡等多途徑利用。其中,園區(qū)電力系統(tǒng)與氫能系統(tǒng)之間通過(guò)電解槽與燃料電池耦合,實(shí)現(xiàn)電-氫之間的雙向轉(zhuǎn)換。與原系統(tǒng)相比,鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)由新能源電力與氫能替代市電與碳元素,形成能量流與物質(zhì)流的同步替換,綠色發(fā)展特征更加凸顯。

        1.2 綠色能源系統(tǒng)控制與耦合環(huán)節(jié)建模

        鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)運(yùn)行與其動(dòng)態(tài)生產(chǎn)流程密切相關(guān),其用能行為依附于其生產(chǎn)狀態(tài),生產(chǎn)狀態(tài)又可以依據(jù)各時(shí)段能源平衡情況做出相應(yīng)調(diào)整。鋼鐵生產(chǎn)流程與新能源及氫能系統(tǒng)存在雙向互動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程,這期間進(jìn)行的調(diào)節(jié)包含鋼鐵生產(chǎn)時(shí)序優(yōu)化、新能源制氫比例分配等,對(duì)于能源系統(tǒng)可以相應(yīng)等效為各設(shè)備的年利用小時(shí)數(shù),這可對(duì)系統(tǒng)的初始配置提供數(shù)據(jù)支撐進(jìn)而影響系統(tǒng)的配置結(jié)果。此外,電-氫-電轉(zhuǎn)換是鋼鐵能源系統(tǒng)重構(gòu)后的關(guān)鍵耦合點(diǎn)。本節(jié)對(duì)其運(yùn)行特點(diǎn)及模型進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

        1)電解槽

        目前主流的電解槽有3 種,其中堿性電解槽應(yīng)用廣泛,但電解能耗偏高、效率偏低[18];質(zhì)子交換膜電解槽能耗及效率有一定改善,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍可達(dá)5%~120%[19],能夠較好地適應(yīng)新能源功率波動(dòng);固體氧化物電解槽效率及能效均有明顯改善,但工作溫度較高,尚缺乏規(guī)?;瘧?yīng)用案例[20-21]。電解槽轉(zhuǎn)換效率認(rèn)為恒定時(shí),其輸入、輸出功率關(guān)系及氫氣產(chǎn)量可由式(3)[22]、式(4)描述。

        式中:PH1為電解槽輸入功率;PH2為電解槽輸出功率;η1為電解槽電解效率;P0為電解制氫單位電耗;ρ為氫氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的密度;Δt為積分時(shí)間間隔;M為電解槽在t1到t2時(shí)間內(nèi)的氫氣產(chǎn)量。

        2)燃料電池

        氫燃料電池主要有質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池等,其中質(zhì)子交換膜燃料電池是目前發(fā)展主流。燃料電池發(fā)電效率認(rèn)為恒定時(shí),其發(fā)電量與輸入氫氣量之間的關(guān)系如式(5)所示[23]。

        式中:PFC為燃料電池發(fā)電功率;f1為電解槽輸出供燃料電池的比例;η2為燃料電池的轉(zhuǎn)換效率。

        2 園區(qū)綠色能源系統(tǒng)優(yōu)化配置

        上文對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)的分析結(jié)果表明,重構(gòu)鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)對(duì)其綠色發(fā)展具有積極作用。但是,綠色能源系統(tǒng)在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上延拓物質(zhì)流,需要考慮規(guī)劃建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性以及新增部分與原系統(tǒng)的協(xié)調(diào)匹配等相關(guān)問(wèn)題。

        2.1 目標(biāo)函數(shù)

        從投資的角度出發(fā),園區(qū)受益主體希望在一定時(shí)間周期內(nèi)最大化其自身收益。本文探討的氫能驅(qū)動(dòng)下鋼鐵園區(qū)發(fā)展模式主要在原有能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上新增新能源和氫能產(chǎn)業(yè)鏈,重點(diǎn)在于探討耦合新能源和氫能后的凈效益增量,即

        式中:Ii為設(shè)備i的建設(shè)成本;i指代設(shè)備類型,其中S表示光伏電站、E 表示電解槽、FC表示燃料電池、ST表示儲(chǔ)氫加氫設(shè)施、C 表示氫能重卡;If為附加成本。

        設(shè)備i的建設(shè)成本計(jì)算如式(8)所示。

        式中:Iem為第m年減少的購(gòu)電費(fèi)用;Ixm為第m年減少的年需量電費(fèi);IHm為第m年的氫能替代收益;Iywm為第m年的運(yùn)維成本;Ibm為第m年的購(gòu)氫費(fèi)用;δ為折現(xiàn)率。

        式(9)中,第m年減少的購(gòu)電費(fèi)用由新能源發(fā)電與氫燃料電池發(fā)電替代園區(qū)用電組成,如式(10)所示。

        式中:PS為光伏裝機(jī)容量;TS為光伏年等效利用小時(shí)數(shù);PE為電解槽額定容量;TE為電解槽年等效利用小時(shí)數(shù);PFC為燃料電池容量;TFC為燃料電池年等效利用小時(shí)數(shù);Sen為本地單位電量費(fèi)用。

        需量電費(fèi)按月結(jié)算,其減少值源于燃料電池發(fā)電平抑沖擊性負(fù)荷如軋鋼負(fù)荷等,即

        式中:Pk為第k月燃料電池發(fā)電替代園區(qū)尖峰負(fù)荷值,其月度值隨生產(chǎn)計(jì)劃及調(diào)度影響,年度值認(rèn)為固定;Sx為需量電費(fèi)。

        氫能利用相關(guān)收益包含替代原甲醇制氫、減碳效益、燃料費(fèi)減少及購(gòu)煤費(fèi)用減少,如式(12)所示。IHm=[L1(PSTS-PETE+PFCTFC)+MC1L2+

        式中:L1為單位電量減碳量;MC1為用做煉鐵還原氣的年氫氣量;L2為氫能煉鐵單位減碳量;MC2為用做保護(hù)氣的年氫氣量;L3為軋鋼保護(hù)氣單位綠氫替代減碳量;MC3為氫能重卡年需氫量;L4為氫能重卡年減碳量;SmC為第m年的碳價(jià);NC為氫能重卡替代數(shù);D為氫能重卡日行駛里程;Smo為第m年的平均油價(jià);M0為冶煉單位質(zhì)量鐵水消耗的氫氣量;ξ為冶煉單位質(zhì)量鐵水消耗的煤炭量;Smco為第m年的平均煤炭?jī)r(jià)格。

        運(yùn)維費(fèi)用與規(guī)劃值及實(shí)際情況相關(guān),難以準(zhǔn)確刻畫每年數(shù)值,可按式(13)進(jìn)行估算[12]。

        式中:RT為能源系統(tǒng)第T年的價(jià)值。

        2.2 約束條件及模型求解

        分布式光伏可有效提升鋼鐵園區(qū)經(jīng)濟(jì)效益[25],但鋼鐵園區(qū)發(fā)展屋頂光伏有較多限制,僅適合在軋鋼車間等煙塵較少處安裝,原料廠、燒結(jié)、高爐等煙塵較多處不適宜安裝屋頂光伏[26]。此外,屋頂光伏可裝容量還要考慮屋頂載荷、光伏組件質(zhì)量等多種因素[25]。因此,鋼鐵園區(qū)發(fā)展分布式光伏存在最大容量限制。在本文中,將鋼鐵園區(qū)最大可裝分布式光伏容量作為邊界,同時(shí)考慮煉鋼過(guò)程保護(hù)氣及燃油重卡全部實(shí)現(xiàn)綠氫替代,制得的氫氣若有剩余則在每日固定時(shí)刻全部售出,基于各組分之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和連接特性,設(shè)計(jì)如下約束條件。

        1)電制氫約束

        式中:PE,min為電解水制氫裝置最小裝機(jī)容量;γ為電解水制氫裝置容量占光伏裝機(jī)容量的最大比例;MdC、Mdcar分別為煉鋼過(guò)程和氫能重卡日用氫量;TdE為電解水制氫裝置日等效滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

        2)氫利用約束

        式中:ρ1為儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫密度;Vm為儲(chǔ)氫罐體積。

        由此,可建立以各設(shè)備容量/數(shù)量為決策變量,以最大化全生命周期收益Val為目標(biāo)(式6),以氫能產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)化和利用關(guān)系為約束(式(16)—式(21))的單目標(biāo)優(yōu)化模型,調(diào)用Cplex 求解器進(jìn)行求解。

        2.3 配置方案及收益分析

        本文所研究的鋼鐵園區(qū)有清潔發(fā)展的基礎(chǔ)和規(guī)劃,其每日軋鋼需要的保護(hù)氣為400 kg,通過(guò)甲醇制氫獲得。在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上,園區(qū)規(guī)劃新建20 MW 屋頂光伏及100 MW 漂浮式光伏用于廠區(qū)用電,同時(shí)擬規(guī)劃建設(shè)園區(qū)級(jí)氫能產(chǎn)業(yè)鏈,希望通過(guò)氫能替代園區(qū)內(nèi)物流重卡與軋鋼保護(hù)氣,并逐步推廣氫能冶金。分析過(guò)程中,忽略燃料電池發(fā)電所節(jié)省的電費(fèi),附加成本與殘值的現(xiàn)值均按初始投資值的5%計(jì)算。綜合現(xiàn)有研究[27-30],其余相關(guān)參數(shù)選擇見附錄A 表A2。

        系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,可利用資源狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)對(duì)鋼鐵制造流程進(jìn)行建模,進(jìn)而對(duì)調(diào)度周期內(nèi)的鋼鐵用能行為進(jìn)行刻畫,預(yù)先得到生產(chǎn)過(guò)程中的用氫曲線。同時(shí),基于新能源出力預(yù)測(cè)和鋼鐵生產(chǎn)用電行為刻畫,可以合理分配新能源各時(shí)段用于電解水制氫的比例。在建設(shè)過(guò)程中,考慮儲(chǔ)氫裝置能滿足最大產(chǎn)氫量需求,則儲(chǔ)氫對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行沒(méi)有過(guò)大影響。

        計(jì)算得到γ=0.2,氫價(jià)、碳價(jià)分別為50 元/kg和30 元/t,采用堿性電解槽時(shí)系統(tǒng)電制氫容量為24.000 MW,未配置燃料電池。此時(shí)系統(tǒng)凈收益為3.367 億元,減碳量為106.110 萬(wàn)t。當(dāng)選擇質(zhì)子交換膜電解槽時(shí),系統(tǒng)配置方案不變,僅系統(tǒng)凈收益減少0.96 億元。

        進(jìn)一步分析可知,當(dāng)前模式下的氫氣成本與碳冶金的煤炭購(gòu)入成本已具有可比性,詳細(xì)計(jì)算見附錄B。但是,由于園區(qū)自產(chǎn)氫氣量難以支撐大規(guī)模氫冶金發(fā)展,園區(qū)氫冶金發(fā)展在很大程度上仍將依賴于外部購(gòu)入氫氣的成本。

        2.4 影響因素分析

        目前,鋼鐵園區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)鏈處于發(fā)展初期,氫能市場(chǎng)發(fā)展仍具有較大的不確定性,氫氣價(jià)格可能會(huì)因短時(shí)供需不平衡產(chǎn)生較大波動(dòng),而氫氣價(jià)格對(duì)于投資者的決策起到了一定的影響作用。因此,有必要分析氫氣價(jià)格變化對(duì)于投資決策的影響。此外,系統(tǒng)投資決策及配置方案還將受到電力市場(chǎng)化、碳市場(chǎng)與去產(chǎn)能政策等多種因素的影響。

        1)氫氣價(jià)格變動(dòng)的影響

        在2.3 節(jié)參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上,探究不同氫氣價(jià)格下園區(qū)的投資方案和系統(tǒng)收益(選擇堿性電解槽),結(jié)果如表1 所示。此處,將系統(tǒng)收益歸為電能替代收益、氫能替代收益以及減碳收益,其中氫能替代收益包括替代煉鋼保護(hù)氣收益、替代燃油收益以及氫氣售出收益。

        表1 收益及減碳量Table 1 Income and carbon reduction

        分析可知,由所構(gòu)建模型推演出的投資方案有投資“偏好”,當(dāng)氫價(jià)較高時(shí),傾向于最大化投資氫能產(chǎn)業(yè)鏈;當(dāng)氫價(jià)較低時(shí),在滿足園區(qū)生產(chǎn)和運(yùn)輸重卡的氫能需求后,新能源電力傾向于滿足園區(qū)電力負(fù)荷應(yīng)用。3 種氫價(jià)水平下的系統(tǒng)初始投資及收益情況如圖3 所示。

        圖3 綠色能源系統(tǒng)投資及收益情況Fig.3 Investment and income of green energy system

        由圖可知,在不同氫價(jià)水平下,系統(tǒng)初始投資及收益組成有較大差別。氫價(jià)較高時(shí),系統(tǒng)初始投資、電能替代收益及碳收益沒(méi)有變化,隨著氫價(jià)上漲,氫能替代收益增加,即系統(tǒng)收益情況受到氫能市場(chǎng)的影響較大;氫價(jià)較低時(shí),系統(tǒng)初始投資與氫能替代收益下降,電能替代和碳收益增加,源于新能源發(fā)電最大化用于園區(qū)電力負(fù)荷,在節(jié)省購(gòu)電費(fèi)用的同時(shí)將間接減碳量轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)收益。附錄C 給出了氫能替代收益的構(gòu)成及影響因素分析。

        此外,上述配置方案中均沒(méi)有燃料電池,氫能系統(tǒng)更多的是發(fā)揮其減碳作用和產(chǎn)品價(jià)值。原因在于,氫燃料電池一次性投資成本大,電-氫-電綜合轉(zhuǎn)化效率較低,通過(guò)燃料電池發(fā)電取得的收益不及新能源發(fā)電直接用于園區(qū)電力負(fù)荷利用取得的收益。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和成本的快速下降,氫能系統(tǒng)有望給園區(qū)帶來(lái)一定的靈活性收益。

        2)電力市場(chǎng)化等因素的影響

        國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)日前發(fā)布的關(guān)于電價(jià)市場(chǎng)化改革的通知中指出,工商業(yè)用戶要全部進(jìn)入電力市場(chǎng),按照市場(chǎng)價(jià)格購(gòu)電,其中高耗能企業(yè)市場(chǎng)交易電價(jià)上浮不受20%的限制。這意味著對(duì)于高耗能企業(yè)而言,用電多、能耗高的企業(yè)將面臨更高的用電費(fèi)用。對(duì)于鋼鐵園區(qū)而言,軋鋼等沖擊性負(fù)荷需要系統(tǒng)有足夠的備用容量,而市場(chǎng)化環(huán)境下由外部電網(wǎng)提供的備用容量可能會(huì)價(jià)格高昂,鋼鐵園區(qū)面臨著支付高昂用電費(fèi)用、有序用電與配置儲(chǔ)能等多種選擇,本文所提綠色能源系統(tǒng)無(wú)疑為其提供了較好的儲(chǔ)能基礎(chǔ)。

        圖4 所示為不同儲(chǔ)能方式的能量?jī)?chǔ)存時(shí)間和容量。

        圖4 不同儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)能時(shí)間和容量跨度Fig.4 Energy storage time and capacity span of different energy storage modes

        可以發(fā)現(xiàn),氫能是唯一滿足大規(guī)模電能跨季節(jié)存儲(chǔ)要求的介質(zhì)[31-32]。鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)通過(guò)引入新能源及電解水制氫,形成了比較完備的氫能產(chǎn)業(yè)鏈,若能結(jié)合峰谷電價(jià)差,在低電價(jià)時(shí)制氫、在高電價(jià)時(shí)利用燃料電池技術(shù)發(fā)電,則有望實(shí)現(xiàn)鋼鐵園區(qū)的經(jīng)濟(jì)、連續(xù)、穩(wěn)定供電。在未來(lái)建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)背景下,氫儲(chǔ)能也有望為電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)提供一定的支撐。

        另一方面,電力價(jià)格與氫能價(jià)格的綜合作用會(huì)傳導(dǎo)影響系統(tǒng)的配置方案,分析如下。

        高氫價(jià)導(dǎo)致系統(tǒng)配置氫能產(chǎn)業(yè)鏈引入的年均成本如式(22)所示。

        式中:Ie為電能替代的收益,包括減少的購(gòu)電費(fèi)用以及間接減碳取得的經(jīng)濟(jì)價(jià)值;IH為投資氫能產(chǎn)業(yè)鏈增加的收益。

        令I(lǐng)e=IH,可得式(25)所示的邊界線方程。

        由此可得投資“偏好”存在的邊界,如圖5 所示。邊界線將電價(jià)-氫價(jià)形成的二維平面分割為2 個(gè)部分:左上平面為高電價(jià)導(dǎo)致園區(qū)新能源發(fā)電最大化以滿足園區(qū)電力負(fù)荷應(yīng)用;右下平面為高氫價(jià)導(dǎo)致園區(qū)新能源發(fā)電最大化投資氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

        圖5 投資邊界示意圖Fig.5 Schematic diagram of investment boundary

        隨著新能源發(fā)電價(jià)格的持續(xù)下降,鋼鐵園區(qū)主動(dòng)建設(shè)新能源或與新能源企業(yè)建立直接購(gòu)售電合同的積極性將會(huì)增強(qiáng),鋼鐵園區(qū)可以探索購(gòu)置綠氫或購(gòu)電(新能源發(fā)電)制氫2 種模式。

        3)碳市場(chǎng)及去產(chǎn)能政策的影響

        在該鋼鐵園區(qū)中,按電解槽容量配置為24 MW、電解槽年利用小時(shí)數(shù)為3 000 h 計(jì)算,氫氣年產(chǎn)量為1 121.40 t,用于軋鋼保護(hù)氣及重卡燃料的氫氣量分別為146.00 t 和141.62 t。氫冶金年替代園區(qū)5%產(chǎn)量所需氫氣為1.125 萬(wàn)t,可見園區(qū)氫氣產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足氫冶金需求;此外,由式(1)和式(2)計(jì)算可知,單位質(zhì)量(1 kg)鐵礦石采用氫氣還原相比于采用碳還原減少的二氧化碳量為0.412 5 kg,所需氫氣為0.037 5 kg,按當(dāng)前環(huán)境下碳價(jià)(30 元/t)和氫價(jià)(50 元/kg)計(jì)算,減碳的邊際收益遠(yuǎn)小于購(gòu)氫的邊際成本,考慮氫冶金這一吸熱反應(yīng)導(dǎo)致氫氣實(shí)際消耗高于理論值時(shí)更是如此。因此,鋼鐵園區(qū)氫冶金取代碳冶金的動(dòng)力不足,從減碳角度考慮配置方案中也不會(huì)考慮增加氫冶金。

        然而,隨著碳配額等相關(guān)約束及碳市場(chǎng)逐步覆蓋鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域,綠色替代的經(jīng)濟(jì)效益或?qū)⒏鼮轱@著。2021 年正式上線的碳市場(chǎng)將在“十四五”期間覆蓋鋼鐵、有色、建材等高耗能行業(yè)。中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)關(guān)于鋼鐵行業(yè)低碳發(fā)展的倡議書中也指出,鋼鐵行業(yè)面臨從碳排放強(qiáng)度的“相對(duì)約束”到碳排放總量的“絕對(duì)約束”,工業(yè)和信息化部等部門同樣釋放出碳約束條件下鋼鐵行業(yè)兼并重組、限制產(chǎn)能等信號(hào)。碳配額約束上限將為鋼鐵園區(qū)的生產(chǎn)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn),園區(qū)只能在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)排放,如果配額用完則或者選擇限產(chǎn),或者高價(jià)向碳配額富足的企業(yè)購(gòu)買。這意味著減碳的邊際收益將有望大于氫冶金的邊際成本,且低碳發(fā)展或許能為鋼鐵園區(qū)爭(zhēng)取到更寬松的產(chǎn)量限制,也或許能為鋼鐵園區(qū)提供效益增長(zhǎng)點(diǎn),分析如下。

        通過(guò)碳配額約束來(lái)促使鋼鐵園區(qū)綠色發(fā)展,需要碳減排量轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)價(jià)值或碳配額價(jià)格大于購(gòu)氫的邊際成本。然而,購(gòu)氫價(jià)格即使按3 元/kg 計(jì)算,二氧化碳(或碳配額)價(jià)格也需達(dá)到272.727 元/t 才具有比較優(yōu)勢(shì),而當(dāng)前情況與此相差還較遠(yuǎn),碳市場(chǎng)還需較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展才能使得碳價(jià)上升到一定區(qū)間。但是,若在碳達(dá)峰背景下該鋼鐵園區(qū)產(chǎn)能被迫壓縮5%,噸鋼利潤(rùn)按高位千元計(jì)算,則年收益將減少數(shù)億元。相比之下,采用氫氣實(shí)現(xiàn)園區(qū)的深度低碳發(fā)展十分必要。

        4)設(shè)備價(jià)格及性能的影響

        中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)發(fā)布的研究報(bào)告中指出,目前已經(jīng)商業(yè)化的堿性電解與質(zhì)子交換膜電解2 條技術(shù)路線中,電解槽設(shè)備成本分別占到制氫系統(tǒng)設(shè)備成本的50%和60%[30]。由式(25)可以看出,分界線截距與氫能產(chǎn)業(yè)鏈的設(shè)備投資成本之間也存在正相關(guān)關(guān)系,電解槽設(shè)備成本的下降會(huì)使得右下平面面積擴(kuò)大,園區(qū)投資氫能產(chǎn)業(yè)鏈的積極性也會(huì)相應(yīng)提升。

        此外,由式(25)可以看出,分界線斜率與電解槽轉(zhuǎn)換效率、分界線截距與電解槽利用小時(shí)數(shù)呈正相關(guān)。在電解槽技術(shù)逐漸成熟的情況下,其轉(zhuǎn)換效率提升或日利用小時(shí)數(shù)提升,右下平面面積均將進(jìn)一步擴(kuò)大,氫能產(chǎn)業(yè)鏈“占優(yōu)”的比例將相應(yīng)提升,園區(qū)發(fā)展氫能的積極性也會(huì)得到提升。

        綜上所述,在多方面因素的共同影響和作用下,鋼鐵園區(qū)通過(guò)拓展氫能產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)深度低碳具有一定的發(fā)展前景。

        3 園區(qū)綠色能源系統(tǒng)配置的“偏好”分析

        3.1 風(fēng)險(xiǎn)刻畫

        由以上分析可知,多種因素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案產(chǎn)生一定的影響。因此,單方面考慮系統(tǒng)投資收益容易使得系統(tǒng)投資產(chǎn)生“偏好”,直觀體現(xiàn)在氫價(jià)較高時(shí)所得投資方案傾向于最大化制氫、售氫。但在實(shí)際中,由于市場(chǎng)變動(dòng)導(dǎo)致的氫價(jià)波動(dòng)具有極大的不確定性,進(jìn)而將這種不確定性形成的風(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)至系統(tǒng)收益中,可能使系統(tǒng)實(shí)際收益與規(guī)劃時(shí)計(jì)算所得收益差別較大。為避免過(guò)度“逐利”而產(chǎn)生無(wú)法承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)損失或過(guò)于“保守”錯(cuò)失發(fā)展機(jī)遇,有必要在初期衡量系統(tǒng)投資風(fēng)險(xiǎn)并調(diào)整系統(tǒng)的投資方案。Markowitz 投資組合理論提供了刻畫風(fēng)險(xiǎn)的理論和工具,能在資產(chǎn)配置過(guò)程中有效刻畫風(fēng)險(xiǎn),該理論采用投資者效用來(lái)描述其心理預(yù)期,即最大化收益的同時(shí)最小化投資風(fēng)險(xiǎn)[33]。投資效用由期望收益率和方差組成,如式(26)所示。

        式中:W為投資者效用;r為投資收益率;E(·)、σ(·)分別為投資收益率的期望和方差;A用于描述投資者對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的敏感程度,取值越大則投資者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)越敏感。

        假設(shè)存在有風(fēng)險(xiǎn)資產(chǎn)和無(wú)風(fēng)險(xiǎn)資產(chǎn),其組合投資收益率計(jì)算如式(27)所示。

        容易得到有風(fēng)險(xiǎn)資產(chǎn)投資的最優(yōu)比例如式(31)所示。

        3.2 結(jié)果分析

        不考慮工業(yè)園區(qū)氫冶金時(shí),由式(31)分析可以得出如下結(jié)論。

        1)氫價(jià)較高且不考慮風(fēng)險(xiǎn),即

        此時(shí),投資者將完全傾向于投資沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目。在鋼鐵工業(yè)園區(qū)中,由于工業(yè)負(fù)荷大,所建光伏電站發(fā)電量幾乎可以全額消納,電能替代所獲收益可以認(rèn)為沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn),而氫能市場(chǎng)和碳市場(chǎng)處于發(fā)展初期具有較大的不確定性,因而具有一定的投資風(fēng)險(xiǎn)。由式(31)可以看出,當(dāng)氫氣價(jià)格較高時(shí),若不考慮系統(tǒng)投資風(fēng)險(xiǎn),配置方案將傾向于最大化投資氫能產(chǎn)業(yè)鏈;當(dāng)氫價(jià)較低時(shí),配置方案在新能源發(fā)電滿足園區(qū)基本氫氣需求前提下直接用于園區(qū)電力負(fù)荷,這與2.3 節(jié)分析結(jié)果一致,從投資風(fēng)險(xiǎn)的角度進(jìn)一步解釋了規(guī)劃配置方案具有的“偏好”特性。

        此外,隨著氫能市場(chǎng)、電力市場(chǎng)、碳市場(chǎng)以及鋼鐵市場(chǎng)耦合程度的加深,多主體、多市場(chǎng)環(huán)境下導(dǎo)致的不確定性將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng),多市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于系統(tǒng)配置方案也會(huì)有較大的影響。因此,采用投資風(fēng)險(xiǎn)理論去探討多市場(chǎng)環(huán)境下鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)的投資風(fēng)險(xiǎn)也將具有一定的意義,可以據(jù)此指導(dǎo)或矯正系統(tǒng)的投資方案。

        4 問(wèn)題和討論

        鋼鐵園區(qū)能源系統(tǒng)對(duì)新能源和氫能具有較好的消納能力,利用新能源與氫能可以幫助鋼鐵園區(qū)取得較好的碳減排效果,并有望取得一定的經(jīng)濟(jì)收益。綜合氫能市場(chǎng)、碳市場(chǎng)以及電力市場(chǎng)等多因素影響,利用新能源及氫能來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼鐵園區(qū)的深度低碳具有發(fā)展?jié)摿?。然而,若碳減排量不能轉(zhuǎn)化為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,則僅依靠園區(qū)變革來(lái)推動(dòng)綠色氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的效果不佳,尤其是當(dāng)前碳市場(chǎng)及相關(guān)政策還不完備的情況下,鋼鐵園區(qū)低碳轉(zhuǎn)型的動(dòng)力不足,需要政府及其他主體參與建設(shè),在規(guī)劃、運(yùn)行、調(diào)控及項(xiàng)目推廣方面也存在許多問(wèn)題值得探討。

        4.1 系統(tǒng)規(guī)劃

        鋼鐵園區(qū)低碳轉(zhuǎn)型是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,是在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行探索和調(diào)整的過(guò)程。綠色能源系統(tǒng)在原系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上引入氫能產(chǎn)業(yè)鏈,源側(cè)由新能源電力耦合,荷側(cè)由氫能可替代設(shè)備耦合,極大地改變了原有系統(tǒng)的運(yùn)行模式和運(yùn)行規(guī)律。首先,各環(huán)節(jié)的引入與建設(shè)需分析對(duì)比各環(huán)節(jié)在運(yùn)行特點(diǎn)、能源消耗等方面的差異,統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)的承受能力及企業(yè)生產(chǎn)狀況,可以制定階段性、滾動(dòng)性規(guī)劃工作方案;其次,可以通過(guò)合理選型使綠色能源系統(tǒng)中的新增部分與原生產(chǎn)系統(tǒng)有機(jī)匹配,通過(guò)選擇合適的制氫方式、制氫規(guī)模及氫能運(yùn)輸車輛數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率、資源利用最大化;再有,可以考慮并評(píng)估多應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)投資風(fēng)險(xiǎn),合理配置相應(yīng)的應(yīng)急資源,保障鋼鐵產(chǎn)品鏈和氫能產(chǎn)業(yè)鏈高效運(yùn)行;探求更多的激勵(lì)因素,將低碳轉(zhuǎn)化為更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,進(jìn)而促使鋼鐵園區(qū)低碳轉(zhuǎn)型。

        4.2 系統(tǒng)調(diào)控

        綠色能源系統(tǒng)具有交互多和主體多兩大特征:

        1)交互多是指鋼鐵園區(qū)從較簡(jiǎn)單的能源流和物質(zhì)流拓展,形成具有多種衍生產(chǎn)品的多能互補(bǔ)系統(tǒng),豐富和延展了原產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈,系統(tǒng)運(yùn)行更加復(fù)雜,約束體系更加龐大。系統(tǒng)運(yùn)行牽涉面更加廣泛,涉及生產(chǎn)、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化和消費(fèi)各個(gè)環(huán)節(jié),不確定性和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。

        2)多環(huán)節(jié)引入導(dǎo)致初始投資大,系統(tǒng)投資風(fēng)險(xiǎn)大、收益慢,難以調(diào)動(dòng)單一主體積極性,可以形成多主體參與格局。在參與主體多元化、產(chǎn)品多樣化、供需互動(dòng)化的情形下,各參與主體可以采用分布式博弈的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的均衡[34]。

        另外,可建立多主體統(tǒng)一管理和交易平臺(tái),通過(guò)信息引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與小系統(tǒng)區(qū)域自洽。

        4.3 項(xiàng)目推廣

        以典型鋼鐵園區(qū)轉(zhuǎn)型為先導(dǎo),最大化發(fā)揮綠色能源系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì),形成新能源與氫能在工業(yè)園區(qū)應(yīng)用的良好示范。在此基礎(chǔ)上,可以建立一體化系統(tǒng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、調(diào)度、管理模式,打造產(chǎn)業(yè)化發(fā)展平臺(tái),構(gòu)建多能互補(bǔ)服務(wù)中心和綜合能源服務(wù)商。充分發(fā)揮平臺(tái)經(jīng)濟(jì)作用,為更多的工業(yè)企業(yè)提供設(shè)計(jì)方案和融資平臺(tái)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        “碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)為工業(yè)發(fā)展提出了更高的要求,同時(shí)也提供了難得的機(jī)遇。在“相對(duì)約束”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖^對(duì)約束”的情況下,碳排放高于配額線的企業(yè)將變得十分被動(dòng)。在碳市場(chǎng)及去產(chǎn)能政策背景下,新能源和氫能參與或許能夠創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,為企業(yè)發(fā)展謀得新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

        本文基于鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)與原系統(tǒng)間的對(duì)比分析,闡述了關(guān)鍵耦合設(shè)備的模型和特性。以最大化經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)、以各環(huán)節(jié)連接和轉(zhuǎn)換特性為約束搭建了耦合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型,得到了系統(tǒng)在不同參數(shù)情況下的配置方案以及投資和收益組成情況,結(jié)果顯示配置方案具有“偏好”特性。進(jìn)一步,本文分析了氫氣價(jià)格、電力市場(chǎng)化、碳市場(chǎng)與去產(chǎn)能政策以及設(shè)備成本對(duì)于鋼鐵園區(qū)綠色能源系統(tǒng)配置方案的影響。此外,本文從投資風(fēng)險(xiǎn)的角度解釋了配置方案存在的“偏好”特性。

        最后,本文就綠色能源系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)及推廣過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了闡述,從系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)控和推廣等方面展開了討論。由于相關(guān)實(shí)踐還較少,本文所提框架還需要進(jìn)一步補(bǔ)充完善,能量流、物質(zhì)流和信息流的充分融合還需進(jìn)一步深化,能源系統(tǒng)從規(guī)劃、運(yùn)行到推廣至整個(gè)過(guò)程中所涉及的相關(guān)問(wèn)題還有待進(jìn)一步討論,這也是下一步工作的重點(diǎn)。

        附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx),掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。

        猜你喜歡
        電解槽氫能鋼鐵
        堿性電解槽成本最低
        《鋼鐵是怎樣煉成的》
        各國(guó)爭(zhēng)搶氫能產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)
        氫能“競(jìng)速”
        法人(2022年5期)2022-05-23 02:30:11
        小學(xué)科學(xué)(學(xué)生版)(2020年12期)2021-01-08 09:28:14
        氫能有軌電車應(yīng)用綜述
        “鋼鐵俠”
        撲面而來(lái)的“鋼鐵鳥”
        航空世界(2018年12期)2018-07-16 08:34:50
        電解槽焊接施工中的質(zhì)量控制
        江西建材(2018年1期)2018-04-04 05:26:02
        鋼鐵是怎樣煉成的?
        国产91精品成人不卡在线观看| 亚洲 欧美 综合 在线 精品| 日韩精品成人无码专区免费| 真实国产乱啪福利露脸| 久久久国产精品福利免费| 精品国产车一区二区三区| 久久久国产精品123| 国产成人一区二区三区| 亚洲欧美日韩精品高清| 日韩一区二区三区中文字幕| 谷原希美中文字幕在线| 黄桃av无码免费一区二区三区 | 少妇太爽了在线观看免费| 特级精品毛片免费观看| 欧美成人形色生活片| 日本精品极品视频在线| 精品国产日韩一区2区3区| 国产午夜精品一区二区三区| 久久久久亚洲女同一区二区| 午夜一区二区在线视频| 99噜噜噜在线播放| 色欲人妻综合网| 久久天堂av色综合| 天堂麻豆精品在线观看| 强开小婷嫩苞又嫩又紧视频韩国| 美丽的熟妇中文字幕| 国产午夜激情视频自拍| 亚洲综合中文日韩字幕| 99热在线观看| 久久久久久av无码免费看大片| 小13箩利洗澡无码免费视频| sm免费人成虐漫画网站| 亚洲av综合av一区| 性夜影院爽黄a爽在线看香蕉| 精品国产自拍在线视频| 亚洲第一区二区精品三区在线| 中文人妻熟女乱又乱精品| 亚洲欧美日韩综合久久久| 久久洲Av无码西西人体| 精品国产亚洲av高清大片| 97久久精品亚洲中文字幕无码 |