何彬彬，楊 波，潘 軍，盧彥杉，江 軍

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州供電局，廣東 廣州 510620)

碳中和的概念于2020年9月由中國(guó)政府在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上正式提出。碳中和主要指的是企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人測(cè)算在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體總量，在通過(guò)某些環(huán)保手段如節(jié)能減排、種樹(shù)造林以后能夠進(jìn)行抵消，最終實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。在所有產(chǎn)生二氧化碳的場(chǎng)景中，企業(yè)、工業(yè)園區(qū)的能源系統(tǒng)是外排二氧化碳的重要環(huán)節(jié)。由于常規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)多以燃煤、燃?xì)獾葹橹鳎陂L(zhǎng)期、大量的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳，這些二氧化碳并不能完全進(jìn)行零排放處理。開(kāi)發(fā)一種新型環(huán)保型儲(chǔ)能系統(tǒng)，成為工業(yè)園區(qū)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要手段。氫能是一種新型清潔能源。氫在燃燒以后基本只會(huì)形成水分，簡(jiǎn)單處理以后便可以實(shí)現(xiàn)外界零污染，更不會(huì)生成大量的二氧化碳等溫室氣體[1-3]。因此，本文以碳中和的視角出發(fā)，提出了1種配置氫儲(chǔ)能能源系統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)電熱氣耦合園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，通過(guò)分析該系統(tǒng)的多能聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)供模型應(yīng)用效果，總結(jié)了這種基于氫儲(chǔ)能電熱氣耦合模型的綜合能源系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景。

1 氫儲(chǔ)能低碳園區(qū)綜合能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電熱氣耦合指的是外部電網(wǎng)(電)、外部氣網(wǎng)(熱、氣)與本地系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行耦合，通過(guò)多元連接實(shí)現(xiàn)電能和天然氣使用的系統(tǒng)[4-6]。將氫儲(chǔ)能系統(tǒng)融入一般電熱氣耦合系統(tǒng)以后，本地系統(tǒng)將會(huì)增設(shè)氫儲(chǔ)能單元，與原系統(tǒng)的光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)多種能源之間的并行應(yīng)用。圖1所示為氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)基本架構(gòu)。

圖1 氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)基本架構(gòu)Fig.1 Basic architecture of the electro-thermal couplingsystem of hydrogen energy storage

由圖1可知，系統(tǒng)在工作時(shí)，外部電網(wǎng)、外部氣網(wǎng)和本地氫儲(chǔ)能單元共同工作。外部電網(wǎng)將電能供給氫儲(chǔ)能單元的電解槽，由電解槽電解水生成氫氣和氧氣，氫氣進(jìn)入儲(chǔ)氫罐中待用；外部氣網(wǎng)則通過(guò)天然氣帶動(dòng)燃?xì)忮仩t和燃?xì)廨啓C(jī)作業(yè)形成熱能為工業(yè)園區(qū)提供必須的熱能；氫儲(chǔ)能單元?jiǎng)t能夠兼具電網(wǎng)和氣網(wǎng)的2種作用，為系統(tǒng)提供電能和熱量。

1.2 氫儲(chǔ)能單元運(yùn)行模式

圖1中的氫儲(chǔ)能單元運(yùn)行模式主要有3種：在電解槽中消耗外部電網(wǎng)的電能將電解槽中的水轉(zhuǎn)化為氫氣、氧氣和1部分熱量；燃料電池消耗儲(chǔ)氫罐中的氫氣進(jìn)行燃燒發(fā)電，為系統(tǒng)提供1部分電能和熱量，實(shí)現(xiàn)電熱聯(lián)供；儲(chǔ)氫罐中的氫氣可以混入天然氣中并與天然氣中的燃?xì)膺M(jìn)行混合供給燃?xì)忮仩t和燃?xì)廨啓C(jī)使用，其作用與天然氣相同，且功能效率更高。在氫儲(chǔ)能單元的協(xié)助下，這3種模式可以為工業(yè)園區(qū)提供極為靈活的電熱供給模式，極大地提升了系統(tǒng)的電熱氣轉(zhuǎn)換能力。

2 氫儲(chǔ)能電熱氣耦合特性與優(yōu)化配置

2.1 氫儲(chǔ)能電熱氣耦合特性

氫儲(chǔ)能電熱氣耦合特性主要包含電化學(xué)特征和熱力學(xué)特征2部分。其中，電化學(xué)特征主要分析氫儲(chǔ)能單元中的電解槽、燃料電池在制氫、供電時(shí)的能量轉(zhuǎn)化效率；熱力學(xué)特征主要分析電解槽、燃料電池在工作過(guò)程中的基本熱力學(xué)特性。

2.1.1電化學(xué)特性

1)電解槽

傳統(tǒng)的電解制氫法多為堿性液體水解技術(shù)制氫。堿性液體主要為KOH、NaOH水溶液，在進(jìn)行電解時(shí)直流電會(huì)將電解液中的水電解為氧氣和氫氣。通常情況下堿性液體電解質(zhì)電解槽的工作電流密度約為0.25 A/cm2。這種堿性液體電解制氫的方法已經(jīng)較為成熟，但多數(shù)傳統(tǒng)氫儲(chǔ)能系統(tǒng)都適用這種制氫方法。然而，這種制氫方法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電解液與空氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成不溶于溶液的碳酸鹽的情況，會(huì)逐漸對(duì)電解反應(yīng)形成影響，最終影響氫儲(chǔ)能系統(tǒng)制氫的效率。當(dāng)前較為先進(jìn)的制氫方法為固體聚合物水電解制氫法。圖2為1種利用質(zhì)子交換膜搭建水電解環(huán)境制氫的原理圖。

圖2 質(zhì)子交換膜水電解制氫原理Fig.2 Principle of hydrogen production by hydrolysisof proton exchange membrane

質(zhì)子交換膜水電解制氫中由于存在質(zhì)子交換膜，這可以將傳統(tǒng)堿性溶液電解制氫時(shí)使用的石棉膜進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子在交換膜中進(jìn)行傳導(dǎo)的作用；這種質(zhì)子交換膜能夠有效避免堿性溶液與空氣中二氧化碳發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)，圖2所示的質(zhì)子交換膜水電解制氫電解池的結(jié)構(gòu)更為緊湊，電解池的歐姆電阻較一般堿性溶液制氫工藝更低，能夠大幅提升電解池的整體性能。質(zhì)子交換膜水電解制氫電流密度通常高于1 A/cm2，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電解制氫法。此外，與傳統(tǒng)的堿性溶液制氫法相比，質(zhì)子交換膜水電解制氫無(wú)需脫堿，可以直接將生成的氫氣儲(chǔ)存至儲(chǔ)氫罐中。質(zhì)子交換膜水電解制氫原理進(jìn)行電解制氫電解槽的電能氫能轉(zhuǎn)化模型：

Mel(t)=ηelPel(t)

(1)

式中：Mel表示t時(shí)段質(zhì)子交換膜水電解制氫電解槽中的用電功率；Pel表示產(chǎn)氫功率；ηel表示制氫時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率。

2)燃料電池

氫燃料電池主要包含4部分：①陽(yáng)極：氫氣進(jìn)入燃料電池后會(huì)與電池陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)，然后在催化劑的作用下釋放出電子和離子；②陰極：電子在經(jīng)過(guò)外電路后傳導(dǎo)至陰極的同時(shí)產(chǎn)生電流；③電解質(zhì)：離子在電場(chǎng)的作用下經(jīng)過(guò)電解質(zhì)遷移至燃料電池的陰極并與電子、氧氣等發(fā)生反應(yīng)生成水、釋放熱量；④外部電路：傳導(dǎo)電子以及將生成電能、熱能供給工業(yè)園區(qū)電熱網(wǎng)絡(luò)。在電熱氣耦合系統(tǒng)的幫助下，氫燃料電池的供熱效應(yīng)得到了良好的利用，使傳統(tǒng)氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率由40%提升至80%[7-9]。氫燃料發(fā)電的氫能動(dòng)能轉(zhuǎn)化模型：

Pfc(t)=ηfcMfc(t)

(2)

式中：Mfc表示t時(shí)段發(fā)電時(shí)的耗氫功率；Pfc表示發(fā)電功率；ηfc表示耗氫發(fā)電時(shí)的能量轉(zhuǎn)換效率。

2.1.2熱力學(xué)特性

1)電解槽

電解槽在制氫過(guò)程中會(huì)形成一部分熱量，最終產(chǎn)生氫氣的溫度約為80 ℃左右；但是，這部分熱量很難被工業(yè)園區(qū)的熱網(wǎng)系統(tǒng)利用。此外，工業(yè)園區(qū)為了保證安全作業(yè)，通常還需要對(duì)電解槽進(jìn)行冷卻水冷卻，從而保證氫氣的安全性。因此，電解槽部分的熱能轉(zhuǎn)換主要為熱量隨冷卻水流出，幫助工業(yè)園區(qū)實(shí)現(xiàn)能量耦合使用的熱量來(lái)源也主要是冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的熱水。

2)燃料電池

氫燃料電池在生成電能的同時(shí)，會(huì)形成大量的熱能，這部分熱量較電解槽散發(fā)熱量更高。目前燃料電池的熱管理方式主要有液冷和空冷2種。液冷是通過(guò)雙極板中的冷卻液帶走熱量；空冷是通過(guò)與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱帶走熱量。在室溫26 ℃左右、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，可以根據(jù)氫燃料電池的工作原理計(jì)算高熱值對(duì)應(yīng)的電壓：

(3)

當(dāng)氫燃料電池中有電流流過(guò)時(shí)，電池的電壓會(huì)下降。假設(shè)工業(yè)園區(qū)在某個(gè)時(shí)間氫燃料電池的電壓為Vc，則電池的工作效率為：

(4)

式中：τ為氫燃料的過(guò)量系數(shù)。理論上，氫燃料電池產(chǎn)生1 kW·h電能，外放的熱量約為5 400 kJ或低于5 400 kJ。

2.2 氫儲(chǔ)能電熱氣耦合優(yōu)化配置

氫儲(chǔ)能電熱氣耦合優(yōu)化，其主要目的是在工業(yè)園區(qū)引入氫儲(chǔ)能系統(tǒng)以后，將氫儲(chǔ)能系統(tǒng)與圖1中原有的外部電網(wǎng)、外部氣網(wǎng)、光伏、風(fēng)電等進(jìn)行融合，使化工園區(qū)氫儲(chǔ)能電氣耦合系統(tǒng)工作效率達(dá)到最佳，在獲得最好的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳排放的全面下降。圖3為碳中和視角下工業(yè)園區(qū)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)總體優(yōu)化配置框架。

圖3 氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)總體優(yōu)化配置框架Fig.3 Overall optimal configuration framework of theelectro-thermal coupling system of hydrogen energy storage

由圖3可知，氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)采用廣域協(xié)調(diào)、分層遞階控制的原理，將其氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化以后的系統(tǒng)框架分為調(diào)度中心、本次集群控制系統(tǒng)和本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)3部分。

2.2.1調(diào)度中心

調(diào)度中心位于最上層，通常為工業(yè)園區(qū)統(tǒng)籌管理部分所掌控。該層以系統(tǒng)工作經(jīng)濟(jì)性為主要控制目標(biāo)，通過(guò)宏觀調(diào)控整個(gè)工業(yè)園區(qū)各部分電、熱、氣需求滾動(dòng)計(jì)劃，校正電網(wǎng)、氣網(wǎng)等內(nèi)外部能源網(wǎng)絡(luò)的安全性，向園區(qū)內(nèi)部各系統(tǒng)(即本地集群控制中心)下發(fā)本地能源網(wǎng)絡(luò)與上一級(jí)能源網(wǎng)絡(luò)之間的功率交換計(jì)劃等，促進(jìn)工業(yè)園區(qū)各部門集群協(xié)調(diào)運(yùn)行，保障工業(yè)園區(qū)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)安全[10-12]。

2.2.2本地集群控制系統(tǒng)

本地集群控制系統(tǒng)的主要作用，是監(jiān)視氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)各部門工作狀態(tài)，分析底層能源分配需求并協(xié)助底層部門與上層傳遞功率交換計(jì)劃。通過(guò)預(yù)測(cè)底層各部門的能量消納能力，確保上層系統(tǒng)輸出的各項(xiàng)指令能夠恰好滿足底層各部門需求的同時(shí)不造成能源浪費(fèi)。

2.2.3本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)

本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)基本是以圖1所示的氫儲(chǔ)能電熱氣耦合作業(yè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在融合了工業(yè)園區(qū)各底層部門電熱氣消納水平以后構(gòu)建所得。本地電熱多能耦合系統(tǒng)擁有專屬于自己的系統(tǒng)總控層，可以對(duì)各部門電熱氣消納情況進(jìn)行統(tǒng)一匯總，在中層系統(tǒng)指令下開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化、輔助決策以及請(qǐng)求援助。本地電熱氣多能耦合系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)能源消納最大化的重要環(huán)節(jié)。

3 案例分析

3.1 案例簡(jiǎn)介

本文選取國(guó)內(nèi)某工業(yè)園區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)該園區(qū)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化前后的能源系統(tǒng)消納情況進(jìn)行分析。該園區(qū)原始最大失電、失熱比例等參數(shù)如表1所示。

表1 優(yōu)化前能源消納情況Tab.1 Energy consumption before optimization

按照我國(guó)相關(guān)政策，工業(yè)園區(qū)失負(fù)荷懲罰單價(jià)為實(shí)時(shí)電價(jià)的10倍；棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)為0.2元/(kW·h)。該園區(qū)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化前，春秋2季的能源負(fù)荷消納情況均較為理想；夏季的熱負(fù)荷低而電負(fù)荷高；冬季的電負(fù)荷低而熱負(fù)荷高。在一年當(dāng)中冬季的清潔能源較另外2個(gè)季節(jié)更為均衡[13-15]。根據(jù)該園區(qū)日常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況結(jié)合上述分析，得到該園區(qū)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)優(yōu)化前春夏秋冬清潔能源滲透率和熱電負(fù)荷比例，結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前清潔能源滲透率和熱電負(fù)荷比例Tab.2 Clean energy permeability and thermoelectricload ratio before optimization

清潔能源滲透率=清潔能源總出力/總電負(fù)荷量之比×100%；

熱電負(fù)荷比例=總熱負(fù)荷/總電負(fù)荷之比×100%。

由于該系統(tǒng)的光伏、風(fēng)能系統(tǒng)基本作業(yè)穩(wěn)定并沒(méi)有明顯的優(yōu)化特征。因此，該系統(tǒng)中清潔能源滲透率越高，表明氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在工業(yè)園區(qū)電熱氣耦合系統(tǒng)中的作用越明顯。熱電負(fù)荷比例越高，則表明該系統(tǒng)中的多余熱量利用率越高，對(duì)外部電網(wǎng)的依賴程度越低。

3.2 優(yōu)化前后對(duì)比

表3所示為該園區(qū)優(yōu)化前常規(guī)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)儲(chǔ)能成本與優(yōu)化之后的對(duì)比情況。

表3 優(yōu)化配置前后各項(xiàng)成本對(duì)比Tab.3 Comparison of costs before and afteroptimized configuration 萬(wàn)元

由表3可知，從指標(biāo)分項(xiàng)來(lái)看，除年化投資成本因系統(tǒng)更新而帶來(lái)小幅提升以外，其余各指標(biāo)均明顯下降。其中運(yùn)行懲罰成本的下降幅度達(dá)到了98.5%；總成本優(yōu)化前后下降幅度也較為明顯，達(dá)到了16.9%?？梢?jiàn)，從最終的電熱氣耦合系統(tǒng)儲(chǔ)能成本角度來(lái)看，優(yōu)化以后的耦合系統(tǒng)能夠顯著降低園區(qū)最終的運(yùn)行成本。

4 結(jié)語(yǔ)

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)盡管可以利用氫能源降低工業(yè)園區(qū)對(duì)傳統(tǒng)電能、天然氣能的依賴，但由于氫燃料電池自身工作的特殊性，在發(fā)電的同時(shí)造成較大的熱量損失。若不能對(duì)這部分熱量進(jìn)行良好利用，氫儲(chǔ)能系統(tǒng)往往無(wú)法完全發(fā)揮氫這一清潔能源的完全優(yōu)勢(shì)。本文基于傳統(tǒng)的氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在充分引入廣域協(xié)調(diào)、分層遞階控制的原理的基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)氫儲(chǔ)能電熱氣耦合系統(tǒng)進(jìn)行了改良。改良以后的系統(tǒng)能夠全面實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)各項(xiàng)成本和總成本的降低，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。