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)。

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