陳 勝，張景淳，衛(wèi)志農(nóng)，呂 思，孫國(guó)強(qiáng)，臧海祥

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇省南京市 211100）

0 引言

為應(yīng)對(duì)能源供需矛盾、全球氣候變暖等挑戰(zhàn),構(gòu)建碳中和能源系統(tǒng)已成為世界各國(guó)的共識(shí)［1］,中國(guó)也提出了“碳達(dá)峰·碳中和”和“構(gòu)建新型電力系統(tǒng)”等戰(zhàn)略目標(biāo)［2］。值得注意的是,由于能源結(jié)構(gòu)、源荷分布、市場(chǎng)機(jī)制等方面存在的差異性,世界各國(guó)的能源轉(zhuǎn)型之路不盡相同,但以風(fēng)光為主的新能源高比例滲透是世界各國(guó)構(gòu)建碳中和能源系統(tǒng)的核心特征。高比例新能源并網(wǎng)為電力系統(tǒng)的深度脫碳提供了重要支撐,但其間歇性出力特征給電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。盡管當(dāng)前已有一系列市場(chǎng)政策、商業(yè)模式、調(diào)控機(jī)制等致力于挖掘電源側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)、負(fù)荷側(cè)及儲(chǔ)能側(cè)靈活資源調(diào)控潛力［3］,但以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)靈活性要求極高。例如,國(guó)際能源署（International Energy Agency,IEA）預(yù)計(jì)2050 年世界范圍內(nèi)靈活性需求將增 長(zhǎng)3.5 倍［4］,當(dāng)前的電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)手段難以支撐未來(lái)高比例新能源滲透的消納。

作為綠色清潔二次能源,氫能具備能源密度大、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是能源系統(tǒng)深度脫碳的重要組成［5］。根據(jù)上游生產(chǎn)制氫方式的不同,氫氣的種類可以劃分為灰氫（化石能源制氫）、藍(lán)氫（化石能源制氫但聯(lián)合碳捕集和封存技術(shù)降低碳排放）和綠氫（新能源電解水制氫）。當(dāng)前,氫能供應(yīng)以灰氫與藍(lán)氫為主,但隨著能源轉(zhuǎn)型的需求以及電制氫技術(shù)（尤其是百兆瓦級(jí)及以上大規(guī)模電制氫技術(shù)）的逐步成熟,綠氫將成為最主要的氫能供應(yīng)來(lái)源。

在此背景下,世界各國(guó)制定了氫能戰(zhàn)略發(fā)展方針,涉及氫氣制取、天然氣管道摻氫、可再生能源-氫能綜合能源系統(tǒng)示范等領(lǐng)域。由國(guó)家能源局、科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》中,明確了氫能在未來(lái)能源系統(tǒng)中的重要戰(zhàn)略定位［6］,新能源制氫有望成為中國(guó)未來(lái)高比例新能源電力系統(tǒng)單一最大用電負(fù)荷［7］。美國(guó)能源部提出了“H2@Scale 計(jì)劃”［8］,致力于氫能生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、利用多個(gè)維度發(fā)展,助力多個(gè)能源行業(yè)的脫碳。日本提出了全面建設(shè)氫能社會(huì)［9］,將氫能定位為核心二次能源。歐盟委員會(huì)發(fā)布了面向氣候中和的氫能戰(zhàn)略［10］,制定了2050 年前新能源制氫、天然氣管道摻氫、輸氫管網(wǎng)建設(shè)等戰(zhàn)略規(guī)劃。

值得注意的是,天然氣管道摻氫是氫能大規(guī)模、遠(yuǎn)距離、低成本傳輸?shù)闹匾渭夹g(shù)。一方面,電制氫與天然氣管道摻氫協(xié)同可充當(dāng)大規(guī)模儲(chǔ)能角色,即將過(guò)剩新能源轉(zhuǎn)化為綠氫注入天然氣管網(wǎng)（管網(wǎng)適用于大規(guī)模存儲(chǔ)）。另一方面,相比于機(jī)動(dòng)車、船舶、新建輸氫管道等傳輸方式,利用現(xiàn)有的天然氣管道摻氫傳輸更為經(jīng)濟(jì),但在天然氣管道混氫比上限、下游氫氣提取、終端天然氣用戶安全等方面仍存在一定挑戰(zhàn)。當(dāng)前,德國(guó)的管道混氫比可達(dá)10%,且計(jì)劃于2025 年將混氫比增加至20%。同時(shí),在中國(guó)寧夏銀川寧東天然氣管道摻氫試驗(yàn)中,最高混氫比已達(dá)到24%。

綜合以上分析,構(gòu)建電-氣-氫綜合能源系統(tǒng)（electricity-gas-hydrogen integrated energy system,EGHIES）具有支撐高比例間歇性新能源消納、實(shí)現(xiàn)氫能低成本遠(yuǎn)距離傳輸、助力多個(gè)能源行業(yè)深度脫碳的戰(zhàn)略意義。鑒于此,本文以EGHIES 為對(duì)象,首先,分析了考慮綠氫-天然氣混合的EGHIES 建模,介紹了高比例新能源滲透下的EGHIES 靈活運(yùn)行；其次,梳理了EGHIES 的協(xié)同規(guī)劃,包括能源設(shè)備、能源網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同；然后,規(guī)劃總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的典型工程應(yīng)用；最后,對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。

1 EGHIES 建模與運(yùn)行

圖1 所示為EGHIES 結(jié)構(gòu),包括電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)和近距離機(jī)動(dòng)車輸氫網(wǎng)絡(luò)三部分。電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電轉(zhuǎn)氣（power to gas,P2G）設(shè)備（包括電制氫設(shè)備和甲烷反應(yīng)器）與燃?xì)廨啓C(jī)組進(jìn)行耦合；電力網(wǎng)絡(luò)與近距離輸氫網(wǎng)絡(luò)通過(guò)電制氫設(shè)備和燃料電池進(jìn)行耦合；天然氣網(wǎng)絡(luò)通過(guò)管道摻氫工藝和提氫技術(shù)與近距離輸氫網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。EGHIES 具備多能流、多系統(tǒng)耦合的特征,研究其建模與運(yùn)行技術(shù)有助于支撐高比例新能源的消納、支撐天然氣系統(tǒng)的低碳化轉(zhuǎn)型,以及支撐氫能在多行業(yè)的規(guī)模化應(yīng)用（化工、交通、電力等）。

圖1 “互聯(lián)互通”的EGHIES 架構(gòu)Fig.1 Structure of interconnected electricity-gas-hydrogen integrated energy system

從氫能產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看,EGHIES 可劃分為制、輸、提、用4 個(gè)模塊。

1）在制氫端,電力網(wǎng)絡(luò)中的化石能源和可再生能源（風(fēng)能、光伏、生物質(zhì)能等）發(fā)電供應(yīng)下,富余的電能通過(guò)電制氫設(shè)備轉(zhuǎn)換為氫能；根據(jù)電解工藝的不同［11］,電制氫技術(shù)主要分為堿性水電解（alkaline water electrolysis,AWE）、質(zhì)子交換膜電解（proton exchange membrane electrolysis,PEM）和高溫固體氧化物電解（solid oxide electrolysis,SOE）。其中,AWE 最為成熟,單槽產(chǎn)氫量高,啟停速度為分鐘級(jí),停機(jī)后需要30～60 min 才能再次啟動(dòng)［12］,適合規(guī)?；瘧?yīng)用；PEM 能量密度高,啟停速度通常在30 s以內(nèi)［13］,響應(yīng)快,在高比例新能源電力系統(tǒng)場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用,目前處于商業(yè)化初期；SOE 制氫效率高,但響應(yīng)慢、成本高,目前已有兆瓦級(jí)別的工程示范,但尚未得到規(guī)?；瘧?yīng)用。

2）在輸氫端,一方面,將氫氣以一定安全比例通過(guò)混氣裝置摻混進(jìn)天然氣管網(wǎng)中,利用管網(wǎng)管存特性存儲(chǔ)輸運(yùn)氫；另一方面,將氫氣壓縮利用高壓管式拖車和船舶運(yùn)輸（適合大功率、長(zhǎng)航程場(chǎng)景）。表1 對(duì)比了目前主流的輸氫技術(shù)各自的特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景和前景。

表1 3 種氫能輸運(yùn)技術(shù)的比較Table 1 Comparison of three hydrogen energy transport technologies

3）在提氫端,在混氫天然氣輸送到用戶終端之前,根據(jù)用戶的用氣特性,需要提純分離氫氣［14］。目前,較為成熟且應(yīng)用廣泛的提純技術(shù)有深冷分離法、膜分離法和變壓吸附法。

4）在用氫端,一方面,可以直接燃燒混氫天然氣,滿足工業(yè)用熱、建筑供暖及居民生活的需求（氫氣低成本大規(guī)模利用）；另一方面,將提純的氫氣通過(guò)燃料電池發(fā)電或供應(yīng)給加氫站,為電動(dòng)汽車和燃料電池汽車提供出行動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)氫氣的移動(dòng)化。此外,氫氣可以作為工業(yè)原料或者轉(zhuǎn)化為氨等氣體用于農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)［11］。

本章的綜述框架如圖2 所示。首先,概述了混氫天然氣系統(tǒng)建模方法；然后,介紹了EGHIES 的靈活運(yùn)行調(diào)度策略；最后,歸納分析了EGHIES 協(xié)同運(yùn)行的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 EGHIES 建模、調(diào)度與評(píng)估框架Fig.2 Framework of EGHIES modeling, dispatch and assessment

1.1 混氫天然氣系統(tǒng)建模

EGHIES 的建模主要包括能源網(wǎng)絡(luò)和耦合設(shè)備,涉及電力網(wǎng)絡(luò)建模、輸氣（天然氣和氫氣）管網(wǎng)建模、終端負(fù)荷建模,以及電制氫和燃?xì)廨啓C(jī)組等耦合設(shè)備建模。在綜合能源系統(tǒng)建模中,電力系統(tǒng)一般采用常規(guī)的穩(wěn)態(tài)電力潮流模型,此處不展開(kāi)介紹。

近距離機(jī)動(dòng)車輸氫通常將氫氣壓縮后利用高壓管式拖車運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)加氫站或氫能用戶,涉及電-氫-交通網(wǎng)絡(luò)耦合協(xié)同,需考慮制氫-輸氫-儲(chǔ)氫-用氫時(shí)空分布模型與輸氫-加氫路徑優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［15］計(jì)及燃料電池車加氫行為和交通流量,構(gòu)建了含加氫站的電-氫-交通耦合系統(tǒng)分布魯棒優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)［16］基于用戶心理和交通屬性,提出了氫能燃料汽車、氫能船舶的移動(dòng)存儲(chǔ)模型。

鑒于純氫管道建設(shè)費(fèi)用昂貴,氫能遠(yuǎn)距離傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)是將氫氣以適當(dāng)比例注入已有的天然氣管道網(wǎng)絡(luò)［17］,實(shí)現(xiàn)氫能的傳輸利用,促進(jìn)電、氣、氫多能融合。圖3 所示為天然氣管道摻氫傳輸示意圖。

圖3 天然氣管道摻氫傳輸示意圖Fig.3 Schematic diagram of natural gas pipeline with hydrogen-injected transportation

目前,有關(guān)天然氣管道摻氫的研究主要分為以下兩種情形:一種是以低比例的氫氣注入單個(gè)輸出的混氫節(jié)點(diǎn)中,實(shí)現(xiàn)氫能的就地消納；另一種是假設(shè)氫氣和天然氣在混氫節(jié)點(diǎn)完全混合,根據(jù)混合氣體流動(dòng)方向傳輸?shù)狡渌烊粴夤?jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)整體摻氫運(yùn)輸。在第2 種情形下,氫氣注入天然氣網(wǎng)絡(luò)的比例和位置會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)中天然氣物理特性（熱值、密度等）的變化,傳統(tǒng)天然氣系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型難以適應(yīng)變量更復(fù)雜的混氫天然氣?？紤]到中長(zhǎng)期規(guī)劃和短期運(yùn)行對(duì)管道參數(shù)時(shí)間尺度要求不同,現(xiàn)有混氫天然氣研究分別在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下分析了天然氣管道內(nèi)的氣體流動(dòng)特性,建立了混氫天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)［18-19］和動(dòng)態(tài)模型［20-22］。表2 總結(jié)了傳統(tǒng)天然氣和混氫天然氣系統(tǒng)穩(wěn)、動(dòng)態(tài)建模的異同。

表2 傳統(tǒng)天然氣和混氫天然氣系統(tǒng)建模比較Table 2 Comparison between modeling of traditional natural gas and hydrogen-injected natural gas systems

混氫天然氣系統(tǒng)建模的關(guān)鍵在于不同熱值氣體混合計(jì)算［17］。當(dāng)前,改進(jìn)二元混合規(guī)則和Soave-Redlich-Kwong（SRK）狀態(tài)方程［23］被廣泛用于描述混氫天然氣達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)氣體狀態(tài)量的函數(shù)關(guān)系?；谀芰渴睾愣?天然氣混氫節(jié)點(diǎn)在混氫前后氣體能量不變,用Hi表示節(jié)點(diǎn)i處的節(jié)點(diǎn)熱值,該過(guò)程建模為［22］:

式中:Hin,i為流入節(jié)點(diǎn)i的氣體熱值；Fin,i為流入節(jié)點(diǎn)i的氣體流量；Hout,i為流出節(jié)點(diǎn)i的氣體熱值；Fout,i為流出節(jié)點(diǎn)i的氣體流量。

對(duì)于混氫天然氣系統(tǒng)的中長(zhǎng)期規(guī)劃及評(píng)估,可采用混氫天然氣系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型,即不考慮管道內(nèi)氣體流動(dòng)的時(shí)間延遲和動(dòng)態(tài)特性,管道壓力與流量相鄰時(shí)段斷面不存在耦合。文獻(xiàn)［24］評(píng)估了氫氣分布式注入天然氣網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)的Wobbe 指數(shù)、熱值和相對(duì)密度分布的影響。文獻(xiàn)［25］提出一種混氫天然氣穩(wěn)態(tài)最優(yōu)潮流模型,驗(yàn)證了該模型能準(zhǔn)確刻畫(huà)混合氣體流動(dòng)方向變化,同時(shí),能有效限制系統(tǒng)中的混氫比。文獻(xiàn)［26］評(píng)估了非等溫條件下,在高壓天然氣網(wǎng)絡(luò)中注入氫氣對(duì)天然氣熱值的影響,分析了高比例綠氫注入對(duì)天然氣系統(tǒng)脫碳的作用。文獻(xiàn)［27］建立了低壓混氫-配氣網(wǎng)絡(luò)能量流模型,分析了不同混氫比對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壓力和Wobbe 指數(shù)的影響。

對(duì)于混氫天然氣系統(tǒng)短期運(yùn)行,管道摻氫改變了天然氣管道動(dòng)態(tài)傳輸特性,需采用混氫天然氣動(dòng)態(tài)潮流模型。動(dòng)態(tài)模型的關(guān)鍵在于對(duì)天然氣管道的管存特性建模,管存特性刻畫(huà)了天然氣系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性及天然氣的慢動(dòng)態(tài)傳輸特性。管存特性建模除遵循氣體流動(dòng)狀態(tài)方程、動(dòng)量方程和能量方程以外,還需滿足以熱值形式描述的化學(xué)能平流方程［22］:

式中:H為氣體熱值；t為時(shí)間；v為氣體速度；x為管道長(zhǎng)度。

文獻(xiàn)［28］建立了考慮綠氫注入的天然氣系統(tǒng)局部動(dòng)態(tài)仿真模型。算例測(cè)試結(jié)果表明,考慮氫氣注入的動(dòng)態(tài)氣體流動(dòng)對(duì)管道壓降影響可忽略不計(jì),但對(duì)天然氣密度和傳輸速率影響較大。文獻(xiàn)［22］建立了考慮氫氣注入的大規(guī)模配氣網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)仿真模型,分析了差異化節(jié)點(diǎn)熱值下天然氣管道能量與流量傳輸特性。文獻(xiàn)［29］建立了混氫天然氣系統(tǒng)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)能量流動(dòng)模型,分析了新能源滲透率、管道混氫比對(duì)綠氫注入量和節(jié)點(diǎn)熱值的影響。文獻(xiàn)［30］建立了計(jì)及綠氫注入的天然氣系統(tǒng)等溫動(dòng)態(tài)模型,分析了混氫比限制對(duì)管網(wǎng)氣體密度、熱值的影響。文獻(xiàn)［31］建立了動(dòng)態(tài)非等溫混氫天然氣能量流動(dòng)模型,評(píng)估了氣體熱值變化對(duì)管道內(nèi)氣體壓力、管存量、能量流偏差的影響。文獻(xiàn)［32］提出了考慮暫態(tài)天然氣流量模型的EGHIES 協(xié)同調(diào)度模型,建立了暫態(tài)混氫天然氣系統(tǒng)綠氫成分跟蹤模型。

1.2 EGHIES 靈活調(diào)度研究

EGHIES 的靈活性資源不僅包含可調(diào)度的發(fā)電機(jī)組、電力需求響應(yīng)負(fù)荷等電力系統(tǒng)靈活性資源,還包含耦合設(shè)備、天然氣網(wǎng)絡(luò)、氣熱負(fù)荷等非電類靈活性資源［33］。通過(guò)挖掘EGHIES 內(nèi)的異質(zhì)靈活性資源和多能協(xié)同,可有效應(yīng)對(duì)風(fēng)光等新能源帶來(lái)的波動(dòng)性和不確定性,支撐系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。文獻(xiàn)［33］對(duì)綜合能源系統(tǒng)靈活性定義、分類、量化等進(jìn)行了概述,剖析了綜合能源系統(tǒng)靈活性與電力系統(tǒng)靈活性的異同,從建模、量化、評(píng)估三方面建立了綜合能源系統(tǒng)靈活性研究框架。

在考慮間歇性新能源不確定性出力方面,當(dāng)前文獻(xiàn)開(kāi)展了基于場(chǎng)景生成法、機(jī)會(huì)約束法、魯棒優(yōu)化法等方法的綜合能源系統(tǒng)靈活調(diào)度研究。文獻(xiàn)［34］綜述了針對(duì)新能源發(fā)電的不確定性問(wèn)題的分析和調(diào)度方法,梳理了針對(duì)其不確定性調(diào)度的決策模型及求解方法。文獻(xiàn)［35］構(gòu)建了考慮電力系統(tǒng)靈活性供需不確定性的分布魯棒優(yōu)化調(diào)度模型,提出一種基于場(chǎng)景法和區(qū)間法的電力系統(tǒng)靈活性需求量化方法。文獻(xiàn)［36］分析了在高比例新能源滲透下電力系統(tǒng)的靈活性供需平衡體系,梳理了極高比例新能源系統(tǒng)靈活性供需平衡研究的關(guān)鍵問(wèn)題和解決思路。文獻(xiàn)［37］提出一種與熱舒適相關(guān)的不確定性因素建模方法,分析了新能源、建筑參數(shù)不確定性對(duì)靈活性支撐作用的影響。文獻(xiàn)［38］構(gòu)建了考慮新能源出力不確定性的兩階段魯棒安全約束機(jī)組組合模型,分析了靈活性電源和電力傳輸容量對(duì)風(fēng)電靈活不確定集的影響。

在提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性方面,當(dāng)前文獻(xiàn)開(kāi)展了EGHIES 協(xié)同調(diào)控多環(huán)節(jié)靈活性資源及挖掘靈活性資源互補(bǔ)特性的研究。文獻(xiàn)［39］提出了新能源-堿性制氫混合系統(tǒng)機(jī)組組合模型,考慮電制氫機(jī)組開(kāi)機(jī)、熱備用、關(guān)機(jī)3 種狀態(tài)之間的靈活切換。文獻(xiàn)［40］提出了考慮電-氣-氫轉(zhuǎn)換的綜合能源系統(tǒng)低碳調(diào)度模型,算例結(jié)果表明,電-氫綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行可以平衡可再生能源發(fā)電短期波動(dòng)。文獻(xiàn)［41］建立了電-氫綜合能源系統(tǒng)中長(zhǎng)期運(yùn)行模型,考慮了儲(chǔ)氫罐與壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)物理模型。文獻(xiàn)［42］建立了電力系統(tǒng)與多個(gè)區(qū)域氫能系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度模型,考慮了移動(dòng)氫儲(chǔ)能的時(shí)空靈活性支撐新能源消納。文獻(xiàn)［43］提出了基于模型預(yù)測(cè)控制的新能源-制氫系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控策略,利用電解槽的運(yùn)行靈活性跟蹤氫負(fù)荷與新能源出力的波動(dòng)。文獻(xiàn)［44］建立了考慮短期現(xiàn)貨價(jià)格的EGHIES 中長(zhǎng)期運(yùn)行模型,基于荷蘭2050 年案例驗(yàn)證了電-氣-氫多能協(xié)同能夠提供充裕的靈活性支撐高比例新能源消納。文獻(xiàn)［45］構(gòu)建了計(jì)及電、氣、熱運(yùn)行靈活性約束和可靠性約束的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,提出了用于評(píng)估系統(tǒng)靈活性不足期望值的指標(biāo),算例分析表明,利用能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性可提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和可靠性。

EGHIES 的靈活性資源具有多時(shí)間尺度的特征,電、氣、氫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)間尺度差異顯著。電力系統(tǒng)靈活性資源響應(yīng)速率快,調(diào)度周期為秒級(jí)和分鐘級(jí),具備短期電力平衡能力；氫氣、天然氣網(wǎng)絡(luò)具備慢動(dòng)態(tài)特性,調(diào)度周期相對(duì)較長(zhǎng),通常持續(xù)幾十分鐘甚至數(shù)小時(shí)；電、氣、熱、氫4 類能源負(fù)荷響應(yīng)能源系統(tǒng)優(yōu)化指令時(shí)間各有長(zhǎng)短。多能耦合設(shè)備導(dǎo)致了電、氣、氫系統(tǒng)間動(dòng)態(tài)特性的傳遞,因此,EGHIES 整體呈現(xiàn)多時(shí)間尺度特征。在綜合能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度靈活運(yùn)行方面,文獻(xiàn)［46］計(jì)及電-氣-熱-氫需求響應(yīng),建立了日前-日內(nèi)滾動(dòng)-實(shí)時(shí)三階段的多時(shí)間尺度優(yōu)化模型,驗(yàn)證了多時(shí)間尺度優(yōu)化運(yùn)行方式在應(yīng)對(duì)不同時(shí)間維度下新能源出力預(yù)測(cè)的有效性。文獻(xiàn)［47］提出一種考慮多能靈活性及電-氣-熱能分時(shí)間尺度的日前-日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度策略,評(píng)估分時(shí)間尺度方法在平抑功率波動(dòng)上的有效性。文獻(xiàn)［48］計(jì)及電-熱-氣混合連續(xù)-離散特性,提出一種由改進(jìn)的三階段量化狀態(tài)系統(tǒng)方法和時(shí)間離散積分相結(jié)合的模擬綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行方法,驗(yàn)證了該方法能夠消納更多的光伏電量以及提高電壓的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［49］考慮了新能源出力和季節(jié)性儲(chǔ)氫系統(tǒng)在時(shí)間尺度上的差異性,提出一種基于典型操作周期內(nèi)-周期外儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)疊加的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行模型。文獻(xiàn)［50］提出了以鹽穴為代表的地下儲(chǔ)氫系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模框架,算例分析表明,在高比例新能源滲透下,大容量?jī)?chǔ)氫系統(tǒng)跨季存儲(chǔ)在降低碳排放方面具備優(yōu)越性。文獻(xiàn)［51］構(gòu)建了基于典型周設(shè)置的季節(jié)性存儲(chǔ)模型和氫氣運(yùn)輸存儲(chǔ)模型,考慮了短期卡車靈活性輸氫路徑模型。

1.3 電-氣-氫協(xié)同社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

現(xiàn)階段對(duì)于EGHIES 社會(huì)效益評(píng)估的研究主要基于電制氫、混氫天然氣輸運(yùn)以及氫能終端利用等技術(shù),從環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等多維度建立評(píng)價(jià)體系和指標(biāo)。相關(guān)研究表明,EGHIES 在支撐新能源消納、提高系統(tǒng)整體能效、降低系統(tǒng)碳排放、提供系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和靈活性等方面作用顯著。

文獻(xiàn)［52］綜述了基于P2G 耦合的電-氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)建模和多場(chǎng)景運(yùn)行優(yōu)化求解方法,梳理了電制氫具備的大容量?jī)?chǔ)能、增強(qiáng)系統(tǒng)耦合可靠性和靈活性、減少碳排放的特點(diǎn)。文獻(xiàn)［53］提出一種以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低和消納新能源量最大為目標(biāo)的混氫天然氣運(yùn)輸?shù)哪Ｐ涂蚣?評(píng)估了該模型在平抑凈負(fù)荷波動(dòng)、消納新能源和降低運(yùn)行成本方面的影響。文獻(xiàn)［54］分析了綠氫的生產(chǎn)成本、售價(jià)、產(chǎn)量和社會(huì)福利對(duì)電力和天然氣市場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)［55］評(píng)估了低成本氫能對(duì)歐洲未來(lái)電力系統(tǒng)靈活性的影響,從時(shí)間維度與空間維度分析了綠氫靈活性對(duì)支撐風(fēng)電與光伏消納的作用。文獻(xiàn)［56］建立了基于分布式魯棒優(yōu)化的EGHIES 機(jī)組組合,采用時(shí)序蒙特卡洛模擬評(píng)估了綜合能源系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)［57］構(gòu)建了電-氫協(xié)同運(yùn)行模型,考慮了能源設(shè)備投資成本和終端行業(yè)脫碳成本,算例分析表明,靈活電制氫可以減少系統(tǒng)碳排放,降低終端行業(yè)脫碳成本。除直接經(jīng)濟(jì)效益外,電-氣-氫協(xié)同具備潛在的社會(huì)效益［58］,包括:1）摻氫輸運(yùn)利用基礎(chǔ)的天然氣設(shè)施,可提高社會(huì)供能系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的利用率,降低前期的投資成本；2）氫能的低成本制取與運(yùn)輸,支撐了能源供應(yīng)的多元化發(fā)展；3）綠氫因具備清潔無(wú)碳的燃料屬性,可促進(jìn)終端用能的深度脫碳,對(duì)構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系有著重要作用。

2 EGHIES 規(guī)劃

EGHIES 涵蓋電、氣、氫、熱等多種能源,具備多能流、多系統(tǒng)融合的典型互聯(lián)形態(tài)和多時(shí)間尺度、多主體、多環(huán)節(jié)的互動(dòng)機(jī)制。EGHIES 規(guī)劃通常以規(guī)劃周期內(nèi)的投資和運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù),對(duì)能源設(shè)備、能源網(wǎng)絡(luò)的投建地址和容量進(jìn)行選擇,同時(shí)考慮多種典型運(yùn)行場(chǎng)景問(wèn)題。圖4 歸納了本章綜述的EGHIES 規(guī)劃框架。

圖4 EGHIES 規(guī)劃框架Fig.4 Framework of EGHIES planning

2.1 能源設(shè)備投資規(guī)劃

能源設(shè)備投資規(guī)劃是指對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存在的P2G、熱電聯(lián)產(chǎn)（combined heat and power,CHP）機(jī)組、充電站、加氣站等能量耦合設(shè)備的選址與定容,研究其規(guī)劃運(yùn)行策略以減少投資冗余,提升設(shè)備能量利用效率。

P2G 設(shè)備作為電-氣-氫網(wǎng)絡(luò)的核心耦合元件,其投資規(guī)劃還需考慮設(shè)備技術(shù)特性、投建狀態(tài)、投資主體等因素。文獻(xiàn)［59］構(gòu)建了一種考慮P2G 設(shè)備投建狀態(tài)的電氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型,算例分析表明,合理規(guī)劃P2G 設(shè)備可降低天然氣管道建設(shè)費(fèi)用。文獻(xiàn)［60］從電解和甲烷化兩個(gè)過(guò)程對(duì)P2G 設(shè)備常用技術(shù)進(jìn)行分析,對(duì)比其投建成本、靈活供應(yīng)能力及發(fā)展?jié)摿?。文獻(xiàn)［61］構(gòu)建了考慮電解槽和儲(chǔ)氫罐的最優(yōu)投資規(guī)劃模型,并在規(guī)劃階段計(jì)及了電網(wǎng)和氫供應(yīng)鏈協(xié)同運(yùn)行。文獻(xiàn)［62］構(gòu)建了以風(fēng)力發(fā)電企業(yè)、電氣綜合能源系統(tǒng)為投資主體的P2G 設(shè)備雙層規(guī)劃配置模型,提出一種由災(zāi)變遺傳算法與內(nèi)點(diǎn)法相結(jié)合的智能算法對(duì)模型進(jìn)行求解,保證結(jié)果的收斂性。文獻(xiàn)［63］基于合作博弈理論,研究風(fēng)力發(fā)電企業(yè)、供熱企業(yè)和電力公司等不同能源投資主體下的P2G 設(shè)備容量規(guī)劃問(wèn)題,算例結(jié)果表明,與各綜合能源投資主體合作有助于實(shí)現(xiàn)P2G設(shè)備的盈利。

充電站與加氣站作為能源系統(tǒng)與交通流的重要樞紐,其選址定容與充電/加氣服務(wù)特性、配電網(wǎng)運(yùn)行特性、交通流流量特性等多種因素相關(guān)。文獻(xiàn)［64］綜述了電網(wǎng)與交通流耦合的設(shè)施規(guī)劃研究,梳理了面向多模式出行的電、氫補(bǔ)能設(shè)施規(guī)劃策略和機(jī)制。文獻(xiàn)［65］綜述了充電服務(wù)網(wǎng)的組成元素和集群特性,分析了與電網(wǎng)、交通流深度耦合的充電服務(wù)網(wǎng)的規(guī)劃理論、運(yùn)營(yíng)模式和調(diào)度策略。文獻(xiàn)［66］研究了適應(yīng)不同用戶階層充電偏好、需求和技術(shù)的充電站網(wǎng)絡(luò),提出了適用于不同規(guī)模電網(wǎng)的規(guī)劃框架,研究了基于動(dòng)態(tài)電價(jià)信號(hào)控制電動(dòng)汽車的充電規(guī)模,算例結(jié)果表明,所提框架提高了充電站容量規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［67］構(gòu)建了電動(dòng)汽車充電站的選址-定容兩階段規(guī)劃模型,考慮了規(guī)劃的投資收益和用戶滿意度,以所有充電站服務(wù)半徑之和最大為目標(biāo)確定投建地址,以全壽命周期成本最小為目標(biāo)確定配置容量。

當(dāng)前,CHP 機(jī)組選型配置的基本原則是實(shí)現(xiàn)余熱的合理高效利用。從電力、供熱、燃?xì)獾饶茉葱枨罅砍霭l(fā),選擇CHP 機(jī)組的類別型號(hào)和設(shè)定容量,確定設(shè)備規(guī)劃運(yùn)行方案。文獻(xiàn)［68］構(gòu)建了互聯(lián)能源中心的優(yōu)化設(shè)計(jì)框架,提出一種能源集線器組成容量的分配方法,可對(duì)CHP 機(jī)組和燃?xì)忮仩t進(jìn)行選址定容。文獻(xiàn)［69］建立了CHP 機(jī)組和P2G 設(shè)備協(xié)同規(guī)劃的綜合能源模型,引入可靠性和風(fēng)電消納能力指標(biāo)對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

相比于傳統(tǒng)的多能轉(zhuǎn)化設(shè)備投資,電制氫設(shè)備的投資決策很大程度上受氫能市場(chǎng)機(jī)制（包括氫能現(xiàn)貨市場(chǎng)、氫能綠證市場(chǎng)機(jī)制等）及氫能終端利用占比的影響。

2.2 EGHIES 協(xié)同擴(kuò)展規(guī)劃

由能量流、信息流和交通流深度融合的EGHIES 有著顯著的互聯(lián)互動(dòng)特征［70］,規(guī)劃方案一般以特定周期內(nèi)系統(tǒng)投資與運(yùn)行成本之和最小為目標(biāo),對(duì)多種能源設(shè)備、能源網(wǎng)絡(luò)和終端負(fù)荷進(jìn)行協(xié)同擴(kuò)展規(guī)劃。電-氣-氫多能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃通過(guò)對(duì)能源系統(tǒng)拓?fù)渑c耦合設(shè)備的合理選型配置,推動(dòng)多能協(xié)同互補(bǔ)共濟(jì),提升多能源總體利用效率與經(jīng)濟(jì)性。

在多能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方面,文獻(xiàn)［71］考慮了氣網(wǎng)管存效應(yīng)、熱網(wǎng)延時(shí)效應(yīng)和熱量損失的情形,建立了以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化規(guī)劃模型。文獻(xiàn)［72］考慮天然氣網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性,建立了基于P2G 和燃?xì)廨啓C(jī)組的電氣協(xié)調(diào)擴(kuò)展雙層規(guī)劃模型,算例驗(yàn)證了該模型可以實(shí)現(xiàn)投資和運(yùn)行成本的良好平衡。在能源系統(tǒng)與交通流、熱力負(fù)荷協(xié)同規(guī)劃方面,文獻(xiàn)［73］考慮協(xié)調(diào)充電站、加氣站與城市電網(wǎng)和氣網(wǎng)的規(guī)劃運(yùn)行,構(gòu)建了計(jì)及交通能源補(bǔ)給需求的城市綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型,算例分析驗(yàn)證了協(xié)同規(guī)劃可以有效降低成本、緩解網(wǎng)絡(luò)擁堵。文獻(xiàn)［74］提出了考慮電動(dòng)汽車充電負(fù)荷和分布式儲(chǔ)能接入時(shí),與能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同拓展的雙層規(guī)劃模型。文獻(xiàn)［75］建立了P2G 設(shè)備和風(fēng)電場(chǎng)協(xié)同擴(kuò)建的電氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型,研究協(xié)同擴(kuò)建對(duì)系統(tǒng)整體擴(kuò)建方案和成本的影響。

在能源設(shè)備與能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同規(guī)劃方面,文獻(xiàn)［76］計(jì)及電制氫設(shè)備的啟停約束以及與電網(wǎng)的交互關(guān)系, 建立了電氫綜合能源系統(tǒng)的雙層規(guī)劃模型,研究風(fēng)光資源比例和容量配置對(duì)設(shè)備優(yōu)化配置和氫氣供應(yīng)價(jià)格的影響。文獻(xiàn)［77］考慮了電力和氫氣在生產(chǎn)、存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)方面的不同,建立了電氫能源系統(tǒng)協(xié)同容量擴(kuò)展規(guī)劃模型,案例測(cè)試表明,電制氫設(shè)備地址容量配置與新能源發(fā)電量、氫氣需求量和碳價(jià)有關(guān)。文獻(xiàn)［78］基于能量梯級(jí)利用原理,構(gòu)建了一種考慮負(fù)荷能源品位互補(bǔ)特性的綜合能源系統(tǒng)站網(wǎng)協(xié)同規(guī)劃模型。文獻(xiàn)［79］綜述了多能網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合規(guī)劃策略以及結(jié)合能量樞紐的源-網(wǎng)-荷協(xié)同規(guī)劃研究,梳理了能源網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷、電源聯(lián)合規(guī)劃模型和策略。文獻(xiàn)［80］構(gòu)建了氣網(wǎng)和電網(wǎng)、電源多階段聯(lián)合規(guī)劃的模型,求解可得電源、輸電線路和天然氣管道的投建位置、投資容量和投建時(shí)間。

值得注意的是,相比于傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃,EGHIES 擴(kuò)展規(guī)劃決策需充分考慮天然氣管道混氫比限制。通常而言,提高天然氣管道混氫比約束上限,可降低天然氣/輸氫管道的投資成本,但也對(duì)天然氣系統(tǒng)安全運(yùn)行提出了更高的要求。

2.3 考慮不確定性的擴(kuò)展規(guī)劃

目前,EGHIES 的不確定性因素主要包括在擴(kuò)展規(guī)劃階段充分考慮各類不確定性因素［81］,這對(duì)于保證短期運(yùn)行的靈活性與韌性至關(guān)重要。

對(duì)于新能源出力和多能負(fù)荷的不確定性場(chǎng)景,可以在保留其精確概率信息分布的同時(shí),通過(guò)削減數(shù)據(jù)集構(gòu)建經(jīng)典規(guī)劃場(chǎng)景集以確保模型可解。文獻(xiàn)［82］利用區(qū)間數(shù)學(xué)規(guī)劃方法,對(duì)新能源出力和負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性進(jìn)行處理,使得規(guī)劃結(jié)果更具魯棒性和可行性。文獻(xiàn)［83］構(gòu)建了考慮多能負(fù)荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)魯棒規(guī)劃模型,通過(guò)k-means 聚類分群方法縮減場(chǎng)景數(shù)量,將負(fù)荷不確定性處理為區(qū)間數(shù)。文獻(xiàn)［84］建立了主動(dòng)配電網(wǎng)中電制氫的選址定容模型。文獻(xiàn)［85］提出一種風(fēng)光經(jīng)典場(chǎng)景集生成算法,結(jié)合Wasserstein 概率距離指標(biāo)和改進(jìn)的Kmedoids 聚類算法對(duì)某實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行削減,驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性。

不同于環(huán)境信息豐富的新能源和負(fù)荷,能源網(wǎng)絡(luò)故障和設(shè)備故障由于實(shí)際系統(tǒng)中可用樣本少且環(huán)境信息不完全,概率分布函數(shù)難以從歷史數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確獲取,常用區(qū)間概率和模糊數(shù)［34］方法刻畫(huà)其故障概率的不確定性。相關(guān)研究通過(guò)蒙特卡洛模擬［70］和解析法［86］將故障影響置于規(guī)劃模擬中,引入可靠性指標(biāo)衡量故障不確定性。文獻(xiàn)［87］建立基于風(fēng)險(xiǎn)量度理論的多電源容量?jī)?yōu)化配置模型,量化了規(guī)劃運(yùn)行中各種不確定性因素導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［88］建立一個(gè)考慮三層可靠性約束的電力系統(tǒng)魯棒規(guī)劃模型,通過(guò)多面體不確定集描述風(fēng)光出力、多能負(fù)荷等連續(xù)型不確定參數(shù),同時(shí),采用概率分布描述如設(shè)備故障等離散型不確定參數(shù),綜合使用隨機(jī)優(yōu)化和魯棒優(yōu)化方法。值得注意的是,各種不確定性處理方法并非相互獨(dú)立,而是可綜合轉(zhuǎn)化應(yīng)用于多環(huán)節(jié)不確定性因素規(guī)劃。

值得注意的是,EGHIES 具備多時(shí)間尺度的運(yùn)行靈活性,包括中長(zhǎng)期靈活性（季節(jié)性儲(chǔ)氫）、日前/日內(nèi)靈活性（管道儲(chǔ)氫）、實(shí)時(shí)靈活性（電制氫快速響應(yīng)）,因此,對(duì)于源荷地域分布不均的場(chǎng)景更具適用性。

3 氫能國(guó)內(nèi)外典型示范工程

本章從源端電制氫、天然氣管道摻氫運(yùn)輸、氫能船舶運(yùn)輸氫以及氫能的存儲(chǔ)和終端利用等關(guān)鍵技術(shù)出發(fā),歸納介紹國(guó)內(nèi)外氫能的典型示范工程進(jìn)展。

3.1 國(guó)外工程應(yīng)用

美國(guó)、德國(guó)、丹麥、日本等國(guó)家開(kāi)展了以氫能為載體的綜合能源工程示范應(yīng)用,從氫能的制取、傳輸、存儲(chǔ)、利用等方面進(jìn)行了理論研究和示范驗(yàn)證。表3 歸納了近年來(lái)國(guó)外有關(guān)氫能試驗(yàn)的典型示范工程。

表3 國(guó)外氫能試驗(yàn)利用的典型示范工程Table 3 Foreign demonstration projects of hydrogen utilization

在源端綠氫制取方面,2012 年德國(guó)啟動(dòng)全球首個(gè)兆瓦級(jí)電制氫工程——“美因茨能源園區(qū)”項(xiàng)目,將過(guò)剩風(fēng)電通過(guò)PEM 制氫裝置（Silyzer200）進(jìn)行制氫并儲(chǔ)存。2018 年,日本在福島縣建設(shè)了FH2R 示范項(xiàng)目,項(xiàng)目配備20 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)和10 MW電制氫裝置,氫氣產(chǎn)量可達(dá)1 200 m3/h,通過(guò)壓縮氫氣車和超低溫容器進(jìn)行運(yùn)輸利用。2019 年,加拿大在魁北克省進(jìn)行了20 MW PEM 電制氫裝置的應(yīng)用,年產(chǎn)氫量約3 000 t。2021 年,德國(guó)和法國(guó)合作開(kāi)展了裝機(jī)容量為200 MW 的液化空氣諾曼底項(xiàng)目。

在管道摻氫運(yùn)輸方面,項(xiàng)目的混氫比和運(yùn)行規(guī)模都在不斷擴(kuò)展。2018 年,英國(guó)開(kāi)展了針對(duì)家用混氫天然氣網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)的示范項(xiàng)目HyDeploy,在東北地區(qū)天然氣網(wǎng)絡(luò)中摻入20%的氫氣供應(yīng)居民用氣,結(jié)果表明,所測(cè)試的家用電器均能在28.4%氫氣含量下安全運(yùn)行。2019 年,意大利國(guó)家天然氣管網(wǎng)公司開(kāi)展了5%氫氣摻入天然氣管網(wǎng)試驗(yàn),探究天然氣輸運(yùn)系統(tǒng)允許的混氫量水平,當(dāng)前的混氫比已提高至10%。2022 年,英國(guó)宣布將格蘭杰默斯和格蘭頓之間一段29 km 長(zhǎng)的退役天然氣管道改造后用于運(yùn)輸氫氣,用于驗(yàn)證利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)將氫輸送到家庭和企業(yè)終端的可行性。

在終端氫能利用方面,項(xiàng)目聚焦于氫能在交通、居民供熱、工業(yè)生產(chǎn)、燃料發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。早在2002—2010 年,日本開(kāi)展了燃料電池系統(tǒng)示范研究項(xiàng)目,研究燃料電池車和氫能基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)技術(shù),推動(dòng)了日本氫燃料電池車的發(fā)展。2017 年,日本向530 萬(wàn)戶家庭普及家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供（ENE-FARM）系統(tǒng),該系統(tǒng)利用氫氣與氧氣反應(yīng)放熱供應(yīng)居民生活,已成功部署27.4 萬(wàn)套。2020 年,美國(guó)能源部推出了一項(xiàng)為期5 年的綠色氫燃料電池卡車示范工程,旨在淘汰長(zhǎng)途運(yùn)輸市場(chǎng)中的柴油汽車。同年,蘇格蘭天然氣公司為Fife 的房屋安裝氫氣加熱系統(tǒng)和爐灶/烤箱,替代天然氣用于烹飪和取暖,探究氫氣是否能幫助英國(guó)實(shí)現(xiàn)其碳排放目標(biāo)。2021 年,歐盟宣布聯(lián)合開(kāi)發(fā)一個(gè)氫燃料交通運(yùn)輸走廊,計(jì)劃到2030 年投放150 個(gè)加氫站和5 000 臺(tái)重卡。2022 年,美國(guó)發(fā)布首例混氫天然氣發(fā)電示范項(xiàng)目報(bào)告,該項(xiàng)目對(duì)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)組進(jìn)行改造,探究混氫比為5%～44%的天然氣發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量,試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)混氫比達(dá)35%時(shí),碳排放量減少了約14%。

3.2 國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用

在氫能成為國(guó)家未來(lái)能源系統(tǒng)中低碳綠色轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略定位的背景下,中國(guó)各地也開(kāi)展了以氫能為載體的綜合能源系統(tǒng)工程示范探索。表4 歸納了近年來(lái)國(guó)內(nèi)有關(guān)氫能試驗(yàn)利用的典型示范工程。

在綠氫的源端制取示范方面,2020 年吉林與陽(yáng)光電源合作開(kāi)展了風(fēng)電制氫綜合示范項(xiàng)目,項(xiàng)目總裝機(jī)容量為400 MW,其中的示范制氫為10 MW。2021 年,浙江省在臺(tái)州市大陳島開(kāi)展海島“綠氫”綜合能源系統(tǒng)示范工程,利用“風(fēng)電制氫-燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)-加氫站”協(xié)同互補(bǔ)模式,滿足多元化用能需求。2022 年,內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗圣圓能源制氫加氫一體化項(xiàng)目電制氫系統(tǒng)一次“開(kāi)車”成功,一期制氫速率為2 000 m3/h,以1 000 kg/d的加氫能力為35 MPa 固定加氫站加注氫氣。2022年,遼寧朝陽(yáng)開(kāi)展龍城區(qū)綠電制氫項(xiàng)目,計(jì)劃建設(shè)40 MW 的光伏電站作為電源支撐,預(yù)計(jì)產(chǎn)氫量為1 000 m3/h。

在天然氣管道摻氫示范方面,近年來(lái)啟動(dòng)的兩項(xiàng)示范工程填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白［17］。2018 年,遼寧朝陽(yáng)開(kāi)展了國(guó)內(nèi)首個(gè)天然氣摻氫示范項(xiàng)目,將新能源電解水產(chǎn)生的綠氫,以10%的混氫比注入天然氣管道供終端用戶使用,探索天然氣摻氫工藝、輸送過(guò)程、混氫比對(duì)管道的影響。2020 年,河北在張家口啟動(dòng)了“天然氣摻氫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范”項(xiàng)目,計(jì)劃每年輸送氫氣超過(guò)400 萬(wàn)m3,混氫天然氣應(yīng)用于張家口市居民用戶、商戶以及天然氣汽車,預(yù)計(jì)每年減少超過(guò)150 萬(wàn)m3的天然氣用量。探索西氫東輸和天然氣管道摻氫輸送的關(guān)鍵技術(shù)有助于緩解中國(guó)綠氫供需不均的問(wèn)題,為國(guó)內(nèi)今后氫能遠(yuǎn)距離、低成本運(yùn)輸提供支撐。

在氫能的終端利用方面,中國(guó)積極發(fā)展加氫基礎(chǔ)設(shè)施及氫氣燃料電池示范等,氫能終端利用逐步由本地化走向區(qū)域化。浙江省杭州市于2021 年啟動(dòng)建設(shè)低碳?xì)潆婑詈蠎?yīng)用示范項(xiàng)目,將電解產(chǎn)生的氫氣供應(yīng)氫燃料物流車使用,預(yù)計(jì)可降低22%的基地單位產(chǎn)值能耗。內(nèi)蒙古于2021 年開(kāi)展了鄂托克前旗氫能綜合利用示范項(xiàng)目,計(jì)劃投入150 輛氫燃料電池卡車,建設(shè)1 座制氫-加氫一體化站及相應(yīng)的氫能儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備,年產(chǎn)氫量約6 000 t。2022 年,北京冬奧會(huì)實(shí)現(xiàn)了全球首次大規(guī)模氫能汽車示范投入,運(yùn)營(yíng)1 000 多輛氫燃料電池汽車,配備30 多個(gè)加氫站,加氫僅需10 min,總續(xù)駛里程超過(guò)600 km。2023 年2 月,國(guó)內(nèi)首臺(tái)摻氫燃燒重型燃機(jī)于秦皇島基地投入示范應(yīng)用,計(jì)劃以10%的混氫比運(yùn)行,預(yù)計(jì)2030 年實(shí)現(xiàn)100%混氫比運(yùn)行。

純氫管道投資大、建設(shè)周期長(zhǎng),當(dāng)前國(guó)內(nèi)純氫管道建設(shè)相對(duì)較少,純氫管網(wǎng)建設(shè)處于發(fā)展完善階段,如江蘇省“十四五”新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃中明確了建設(shè)供氫管網(wǎng)的戰(zhàn)略規(guī)劃［89］。對(duì)于未來(lái)規(guī)?；臍淠苄枨?可考慮輸氫管網(wǎng)規(guī)劃和電-氫耦合技術(shù)相結(jié)合,建立“互聯(lián)互通”的電-氫耦合綜合能源系統(tǒng)。

4 研究展望

以電-氣-氫多能耦合互聯(lián)的新型綜合能源系統(tǒng)已得到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工程界的廣泛關(guān)注。結(jié)合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,本章歸納了如圖5 所示的未來(lái)可深入研究的3 個(gè)方向。

圖5 未來(lái)研究展望框架Fig.5 Framework of future research prospects

1）EGHIES 安全分析和優(yōu)化控制:綠氫的制取受電價(jià)、氣價(jià)、新能源出力等多重因素影響［90］,任一因素的波動(dòng)都會(huì)影響制氫速率和產(chǎn)量,因而綠氫持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)存在挑戰(zhàn)。在管道摻氫傳輸方面,不同的混氫策略和運(yùn)行策略［91］影響了混氫天然氣含量的分布特性,綠氫注入的不確定性將造成天然氣管道運(yùn)行的安全隱患,如節(jié)點(diǎn)熱值越限、節(jié)點(diǎn)壓力越限等。

對(duì)于綠氫的穩(wěn)定供應(yīng)難題,可結(jié)合電儲(chǔ)能/氫儲(chǔ)能、氫負(fù)荷需求響應(yīng)（如與交通側(cè)融合協(xié)同）等源-荷-儲(chǔ)協(xié)同技術(shù)解決；而對(duì)于天然氣管道摻氫的潛在安全隱患,可采用天然氣管網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知技術(shù),結(jié)合實(shí)時(shí)量測(cè)信息提前預(yù)判潛在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),并制定預(yù)防控制策略（如預(yù)留充裕的管道管存量）。

2）考慮靈活性市場(chǎng)的EGHIES 協(xié)同調(diào)度:充裕的靈活性是支撐以新能源為主體的EGHIES 建設(shè)關(guān)鍵。當(dāng)前,靈活性市場(chǎng)品種包括調(diào)峰、備用、調(diào)頻、靈活爬坡、快速調(diào)頻等［92］,各品種對(duì)于靈活資源稟賦要求不盡相同。EGHIES 的靈活資源包含燃?xì)廨啓C(jī)組、電制氫機(jī)組、電儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能、天然氣管網(wǎng)管存等。對(duì)于調(diào)頻、快速調(diào)頻、靈活爬坡的品種,需要響應(yīng)快速的燃?xì)廨啓C(jī)組、PEM 制氫機(jī)組、儲(chǔ)能等參與調(diào)節(jié)；對(duì)于調(diào)峰和備用等需求量較大的品種,容量充裕的AWE 制氫機(jī)組、電儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能、天然氣管網(wǎng)管存更能與之匹配。

因此,在未來(lái)多品種靈活性需求背景下,有必要建立更完備的多品種靈活性市場(chǎng)機(jī)制,為多能靈活可調(diào)資源稟賦的挖掘提供市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)引導(dǎo)；同時(shí),需建立靈活性市場(chǎng)與中長(zhǎng)期市場(chǎng)、能量市場(chǎng)、多能源市場(chǎng)的鏈接協(xié)同機(jī)制,為電-氣-氫多能源市場(chǎng)的混合時(shí)間尺度協(xié)同提供支撐。

3）氫能綠證交易市場(chǎng)機(jī)制:當(dāng)前,以灰氫和藍(lán)氫為主的氫能產(chǎn)業(yè)鏈每年產(chǎn)生8 億～10 億t 的CO2,若采用綠氫替代可減少約98%的碳排放。受限于高電價(jià),當(dāng)前綠氫的生成成本是灰氫和藍(lán)氫的2～3 倍,尚難以規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用,但綠氫的環(huán)境價(jià)值尚未得到完全體現(xiàn),即綠氫生產(chǎn)過(guò)程的減排成效缺乏恰當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)價(jià)格信號(hào)激勵(lì)。

針對(duì)該問(wèn)題,可參考電力市場(chǎng)中可再生能源配額制及綠證交易制度,考慮引入氫能綠證機(jī)制,通過(guò)綠證補(bǔ)貼制氫,有利于緩解當(dāng)前電制氫成本較高的問(wèn)題,提升氫能產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前,中國(guó)正在探索建設(shè)全國(guó)性氫交易平臺(tái),旨在將綠氫產(chǎn)生的減排量納入減排市場(chǎng)交易。因此,在當(dāng)前綠氫發(fā)展趨勢(shì)下,有必要研究氫能綠證參與市場(chǎng)交易,促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

氫能有望在未來(lái)能源系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型中發(fā)揮主導(dǎo)作用,本文綜述了以氫能為載體的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃與運(yùn)行研究。首先,介紹了綜合能源系統(tǒng)中氫能產(chǎn)業(yè)鏈的整體工藝流程；其次,歸納分析了支撐氫能大規(guī)模應(yīng)用的混氫天然氣系統(tǒng)建模、EGHIES運(yùn)行及規(guī)劃問(wèn)題；然后,結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程,介紹了電制氫、天然氣摻氫、氫能終端利用的研究應(yīng)用；最后,歸納了未來(lái)可深入研究的方向。本文有望為氫能規(guī)模化應(yīng)用推廣、構(gòu)建以新能源為主體的新型綜合能源系統(tǒng)提供有益參考。