歐珊珊，江岳文，b

(福州大學(xué) a. 電氣工程與自動化學(xué)院；b. 智能配電網(wǎng)裝備福建省高校工程研究中心(福州大學(xué))，福建 福州 350108)

面對不可再生資源的消耗殆盡以及生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，國際上已采取了一系列減排措施。為完成凈零排放的目標，許多國家將具有高密度、潔凈與可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢的清潔二次能源——氫能作為未來能源技術(shù)發(fā)展的新方向[1]。在氫能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展中，加氫站建設(shè)是其中的重中之重。當(dāng)前已有大量文獻就制氫加氫站優(yōu)化運行展開研究，文獻[2]提出基于電-氣-交通耦合，含氫儲能和電動汽車的新型電力系統(tǒng)規(guī)劃方法，通過考慮制氫加氫站耦合電力系統(tǒng)與氫燃料汽車的優(yōu)化運行，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的協(xié)同低碳轉(zhuǎn)型，最小化全社會減排成本。文獻[3]構(gòu)建風(fēng)-氫-電耦合網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，對制氫加氫站的設(shè)備容量進行優(yōu)化分配，驗證了考慮交通流量捕獲下制氫加氫站、風(fēng)電場與電網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃模型的有效性。文獻[4]研究風(fēng)-氫-燃-電混合能源系統(tǒng)，同時考慮氫儲能和電池儲能運行約束，優(yōu)化考慮混合能源系統(tǒng)容量。文獻[5]提出一種基于多智體強化學(xué)習(xí)的多風(fēng)氫系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化運行方法，對風(fēng)電上網(wǎng)功率與制氫加氫站的合約制氫功率進行優(yōu)化分配。當(dāng)前對于制氫加氫站的優(yōu)化運行研究主要集中于在混合網(wǎng)絡(luò)體系中對制氫加氫站容量的建設(shè)與規(guī)劃。氫能產(chǎn)業(yè)作為實現(xiàn)凈零排放的方案之一，勢必會加入國際貿(mào)易體系，歐洲正在建立對氫能產(chǎn)業(yè)有建設(shè)性作用的氫能交易中心，而我國當(dāng)前的氫交易以多中心格局為主，尚未形成一個全國性的氫交易所。中國作為能源大國更應(yīng)當(dāng)積極參與到氫能交易的體系構(gòu)建中，深入探索建設(shè)氫交易平臺、氫定價、綠氫交易以及氫減排市場等方面內(nèi)容。

目前綠氫由于較高的制備成本未能占據(jù)主要市場，文獻[6]對綠氫生產(chǎn)成本進行預(yù)測，并與藍氫與灰氫進行比較，得出隨著碳價上漲以及可再生能源度電成本的下降，制約氫能健康可持續(xù)發(fā)展最重要的因素逐步減弱，在未來綠氫成本將可能低于灰氫，使得綠氫成為最佳選擇。文獻[7]創(chuàng)建了綠氫信用體系，定義氫信用價值為氫能的利用全生命周期中CO2凈減排量所體現(xiàn)的價值；同時根據(jù)氫氣生產(chǎn)與儲運過程的碳排量以及氫運營商的補貼情況制定了氫稅政策，模擬氫信用體系的發(fā)行監(jiān)管框架，最后評估了氫信用市場的巨大發(fā)展?jié)摿?。隨著碳中和任務(wù)的持續(xù)推進以及可再生能源發(fā)電技術(shù)的進步，若能通過更多的市場經(jīng)濟鼓勵綠氫產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展，解決目前綠氫制取成本較高的問題，這對于綠氫市場的發(fā)展前景將大有裨益。《巴黎協(xié)定》的全面實施加快了當(dāng)下構(gòu)建碳權(quán)交易市場以及綠電、綠證交易市場等管控溫室氣體排放手段的進程[8]，碳配額與交易政策在全球的減排工作方面已卓有成效?，F(xiàn)階段關(guān)于激勵綠氫的生產(chǎn)消納與交易方面的有關(guān)政策尚少，若通過構(gòu)建氫能證書交易體系，考慮在綠氫的零碳排特性上給予經(jīng)濟激勵，頒布與碳配額具有相同經(jīng)濟價值的氫能證書降低綠氫生產(chǎn)成本，此舉可以進一步完善我國的氫交易機制，建立創(chuàng)新型的清潔氫碳減排量交易體系。

對此本文提出關(guān)于氫能證書交易體系的研究，為加強氫證體系與現(xiàn)有碳交易市場間的耦合，氫能證書的簽發(fā)數(shù)量對應(yīng)使用1 t 氫后的碳減排量。氫證可進入碳交易市場流通，為有碳排放需求的個體提供更多元的抵消碳排放量的途徑，并將該交易體系應(yīng)用于制氫加氫站的優(yōu)化運行中。

1 氫能證書交易體系

1.1 氫證體系構(gòu)建

氫證體系與碳市場息息相關(guān)，氫證市場既受到碳市場波動的影響，同時也會反作用于碳市場，在一定程度上起到穩(wěn)定碳價格的作用，故在此先簡要介紹碳權(quán)交易市場。歐美等國家在碳市場體系構(gòu)建上早我國二十來年，目前他們在整個市場交易機制以及平臺搭建方面均較為完善，同時在碳交易量與交易額上也是全球首屈一指[9]。碳交易市場的本質(zhì)是一種在能源消費過程中對碳排放權(quán)力進行交易的市場減排機制，以達到在總量上對溫室氣體排放進行控制以及資源分配合理化的目的。碳交易市場主要分為政府配額以及自主減排這2種方式：前者為強制性碳市場，排放主體需要強制履行減排義務(wù)，由政府進行總量管制，專門的監(jiān)管機構(gòu)對碳排放量進行統(tǒng)計匯總，對企業(yè)分配碳權(quán)，在規(guī)定期限內(nèi)完成碳排放額的清繳并確定碳價與交易方案；后者為自愿性碳市場，主體沒有履約義務(wù)，自愿購買碳信用證書以實現(xiàn)自身碳中和，多是企業(yè)自愿履行社會義務(wù)，通過技術(shù)減排或綠色碳匯獲得碳權(quán)實現(xiàn)上市交易[10]。

同理，氫證交易市場也可采用2種機制并行：①強制性氫證市場由政府對氫產(chǎn)商規(guī)定以碳排放交易市場為參考的碳排放基準值。若生產(chǎn)與儲運灰氫過程中碳排放量超過基準值，將需要在氫證市場購買氫能證書以抵消超額排放的部分灰氫，否則監(jiān)管部門將強制收取超出部分的碳排放費用。②自愿機制由企業(yè)間形成自愿性氫證市場來實現(xiàn)大部分企業(yè)對氫能證書的自主交易，氫證書主要通過相關(guān)監(jiān)管部門認證的氫能生產(chǎn)項目獲得，用于增強企業(yè)自身品牌效益建設(shè)以及自愿履行社會責(zé)任的義務(wù)。此外排放主體可以購買氫能證書換取相應(yīng)的碳排放權(quán)，來實現(xiàn)對碳排放額輔助清繳的目的。氫證市場可幫助被納入強制碳市場的企業(yè)應(yīng)對在后期難以完成的排放目標，實行證氫分離的形式，持有氫證的企業(yè)將擁有與此氫證等價的碳排放配額，生產(chǎn)氫能的企業(yè)不僅擁有氫能自身的利用價值，并且隨氫證上市交易可獲得其綠色環(huán)境權(quán)益。氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期需要較大的國家補貼，通過氫證體系的逐步擴大應(yīng)用可獲得更大收益，對沖補貼，起到緩解國家補貼壓力的作用。氫能證書交易和碳交易之間存在差異，氫能證書不僅為碳減排工作增加了途徑，同時涵蓋了對氫能源生產(chǎn)、儲存、運輸和應(yīng)用等領(lǐng)域氫能源技術(shù)和應(yīng)用的專業(yè)能力認證。氫能證書為氫能源行業(yè)提供了可追溯性、透明性和可信度，通過認證和標準化的過程，氫能證書能確保氫能源的質(zhì)量與可持續(xù)性。而碳證則主要關(guān)注于碳排放減少和對環(huán)境影響的認證，沒有明確的減排手段或技術(shù)限制。盡管氫能源和碳減排都是可持續(xù)能源和環(huán)境保護領(lǐng)域的重要議題，但氫能證書和碳證在關(guān)注的內(nèi)容和目標上存在明顯差異。

雖然氫能證書和碳交易市場有各自的目標和機制，但它們相互影響并存在耦合關(guān)系。對氫證的價值考核主要依托于碳權(quán)交易市場體系，1本氫證代表在以一定碳市場配額基準值的標準下，制備與儲運氫能過程中減少1 t CO2排放而獲得的憑證，其價值等價于1 t CO2排放配額在碳權(quán)交易市場中的等價價值。在氫氣生產(chǎn)過程中可能會產(chǎn)生CO2，根據(jù)生產(chǎn)方式不同則可能對應(yīng)不同的碳排放量，若完全使用可再生能源生產(chǎn)綠氫則在該過程產(chǎn)生的碳排放可降為0。氫氣在儲存與運輸過程中也可能產(chǎn)生碳排放，若采用制氫加氫一體站則可以免去運輸過程中交通工具所產(chǎn)生的碳排放，提升整個氫制備應(yīng)用體系的效率。氫氣生產(chǎn)與儲運過程中排放CO2的質(zhì)量越小，則在最終由專門的監(jiān)管機構(gòu)對該過程碳排放量進行統(tǒng)計匯總時，計算得到的碳減排量就越大，因此可換得更多的氫證。具體的碳減排量mer向下取整后的結(jié)果，即生產(chǎn)儲運1 t 氫所對應(yīng)核發(fā)的氫證本數(shù)NH。由此可知，生產(chǎn)綠氫對應(yīng)的碳減排量最高，因而生產(chǎn)1 t綠氫所獲得的氫證本數(shù)最多，從經(jīng)濟上鼓勵氫產(chǎn)商多產(chǎn)綠氫。

(1)

式中：mer為使用1 t氫后的碳減排量，t；ms為生產(chǎn)1 t氫的碳排放量基準值，t；mpr為生產(chǎn)1 t氫所產(chǎn)生的碳排放量，t；mst為儲運1 t氫產(chǎn)生的碳排放量，t。由于氫證交易體系建立在碳交易市場上，故暫以與產(chǎn)氫行業(yè)碳排相近的燃氣機組發(fā)電的碳排放基準值作為計算產(chǎn)氫運行過程核發(fā)氫證本數(shù)的碳排基準值ms。

同時，氫證市場與碳配額交易市場的耦合作用可以緩解碳交易市場供需不平衡等壓力，以及解決部分企業(yè)難以靠自身完成碳排放需求的問題，為碳交易市場帶來更多的碳交易機會和更高的交易量。氫證與碳交易市場的融合應(yīng)用推動碳交易市場的積極效應(yīng)，包括提高市場流動性、提高碳權(quán)價格的穩(wěn)定性、為碳權(quán)市場的健康發(fā)展提供支撐；在環(huán)境方面鼓勵清潔能源投資，促進低碳經(jīng)濟的發(fā)展，降低全球的碳排放量，有助于國家進一步施行“雙碳”與凈零的目標。

目前中國的碳排放權(quán)供大于求，在碳價上遠低于歐美國家，隨著未來國家減排政策的收緊，將來的排放配額資源不斷減少，供需關(guān)系改變，預(yù)計到2030年碳排放配額的需求可能會增加到目前的15倍或更多，碳價將持續(xù)上漲。隨著碳配額的收緊，碳排放基準值下降，勢必影響氫證價格，若要穩(wěn)固氫證與碳交易市場，還需不斷增大對可再生能源的利用以及提升氫氣儲運方面的相關(guān)技術(shù)。未來可能會出現(xiàn)更多關(guān)于氫能產(chǎn)業(yè)的金融衍生品和投資產(chǎn)品，但這還需要時間和市場的逐步成熟。

1.2 氫證價格經(jīng)濟模型

氫證的價格即為碳交易市場當(dāng)日碳排放額交易價格，其隨著碳市場碳價的波動而改變，見式(2)。

λHC=λCC.

(2)

式中：λHC為氫能證書的價格，元/t；λCC為碳排放額交易價格，元/t。

氫證可以直接在氫證市場(以拍賣形式)或交易所出售，或是可流入碳交易市場進行交易，與碳交易市場的碳排放額具有相同效力，購得1本氫證可獲得1 t CO2排放配額用于完成企業(yè)所需的既定碳排放目標。氫能生產(chǎn)商所獲得的氫證只具有一次交易機會，不得進行二次交易。由氫證價格經(jīng)濟模型可知，氫證價格主要取決于其在碳交易市場中的具體交易情況，即當(dāng)日碳排放權(quán)交易價格。氫能產(chǎn)商的收益除了與氫證本身價格有關(guān)外，還與在生產(chǎn)單位氫時所能獲得的氫證數(shù)量相關(guān)，而在規(guī)定的產(chǎn)氫碳排放基準不變的前提下，氫氣制備和儲運過程中的單位碳減排量越大，生產(chǎn)單位氫能即可獲得更多的氫證數(shù)量。碳排基準值的降低，將減少產(chǎn)氫的相對減排量，使得核發(fā)氫證數(shù)量減少。碳排放額交易市場加入了氫證后，二者耦合相互影響，碳價格處于高位時，氫證價格隨之提升，可起到鼓勵綠色發(fā)電等清潔能源生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，進而激勵市場主體能源轉(zhuǎn)型，促進氫證市場的發(fā)展構(gòu)建與推廣實施，增強綠氫相對其他能源的競爭優(yōu)勢。

碳權(quán)交易市場包括交易主體和服務(wù)監(jiān)管主體，其中服務(wù)監(jiān)管主體包括能源監(jiān)管機構(gòu)與相關(guān)金融機構(gòu)，能源監(jiān)管機構(gòu)負責(zé)碳權(quán)交易監(jiān)管，具體包括核實各項數(shù)據(jù)、碳排放配額以及氫能證書的真實性與完善交易的合法與透明；金融機構(gòu)為交易主體提供價值轉(zhuǎn)賬服務(wù)，由于碳權(quán)交易僅是虛擬商品的金融交易，故只完成交易價值的結(jié)算和轉(zhuǎn)移。碳權(quán)交易市場的交易主體面向各類對碳排放配額以及氫能證書有交易需求的市場主體，可以自由申報碳排放配額以及氫能證書的交易價格與交易量，平臺出清匹配結(jié)果，將富余的碳排放配額以及氫能證書分配給有碳排放權(quán)購買需求的用戶[11]。氫能產(chǎn)商經(jīng)能源部門核發(fā)的氫能證書以及新能源電廠的富余碳排放配額，可借助碳交易媒介實現(xiàn)與火電廠及鋼鐵行業(yè)等對碳排放額需求較大的市場主體的多邊交易，可以允許一個買(賣)方市場主體與多個賣(買)方按照不同交易價格進行出清結(jié)算。氫能證書融合碳權(quán)交易市場的交易機制主要如圖1所示。

圖1 氫證融合碳權(quán)交易市場應(yīng)用架構(gòu)Fig.1 Application framework of hydrogen certificate fusion carbon trade market

2 考慮氫證交易的制氫加氫站運行優(yōu)化建模

氫能證書系統(tǒng)鼓勵制氫加氫站多產(chǎn)綠氫，當(dāng)利用零碳排能源進行綠色制氫時，其所獲得氫證數(shù)量將遠大于利用電網(wǎng)電力進行制氫。氫證可用于氫證市場的交易，主要由那些超過碳排放基準生產(chǎn)灰氫的氫能產(chǎn)商購買氫證進行超額部分的清繳；或者通過碳交易市場獲得碳排放權(quán)或其碳價的等額收益，由難以完成碳排放額清繳的排放主體或有自主減排意愿的企業(yè)購買。將氫證系統(tǒng)與氫生產(chǎn)和碳市場交織在一起，建立互利關(guān)系，可促進可持續(xù)發(fā)展并激勵氫能行業(yè)的減排工作。

制氫加氫一體站主要包括電解槽、壓縮機、儲氫罐以及加氫設(shè)備，其中制氫環(huán)節(jié)通常是非連續(xù)、不穩(wěn)定的，主要利用風(fēng)電合約功率進行電解水制氫，當(dāng)風(fēng)電不足或電網(wǎng)負荷用電電價較低時，也可以向電網(wǎng)購電輔助制氫，制備的氫氣將供給氫負荷或存儲于儲氫罐中。該單個制氫加氫站系統(tǒng)的目的是通過利用氫證體系促進可再生能源的合理消納[12]，優(yōu)化調(diào)度風(fēng)電場每日合約制氫功率與電網(wǎng)輔助制氫功率，使得整個系統(tǒng)在能保證日制氫量中具有相當(dāng)比例的綠氫產(chǎn)量的前提下，達到收益最大化。

2.1 電解槽模型

質(zhì)子交換膜(proton exchange membrane，PEM)電解槽具有電解效率高、工作電流密度大、電解槽體積小、易于操作與維護等優(yōu)點[13]，電解制氫關(guān)系可表示為

(3)

根據(jù)文獻[14]可得在實際生產(chǎn)中，PEM電解槽的電解效率與電解槽的輸入功率有關(guān)。依據(jù)其中PEM電解槽的制氫效率特性模型所得到的電解功率與電解效率數(shù)據(jù)，可以擬合出電解效率與電解槽的輸入功率之間的近似非線性函數(shù)關(guān)系：

(4)

文獻[15]指出PEM電解槽運行時需要滿足一定的功率關(guān)系式，其中可以得到具體的最佳電解槽輸入功率的上下限。PEM電解槽在電解過程中滿足的功率如下約束：

(5)

2.2 壓縮機模型

實際生產(chǎn)中，常利用壓縮機增加氣體壓強，將低壓氫氣壓縮成高壓氫氣，以便在儲氫罐中存儲更大質(zhì)量的氫氣。在氫氣由電解槽流入壓縮機的過程中，氫氣有一定的損失，流到壓縮機的氫氣量

(6)

(7)

2.3 儲氫罐模型

不同容量的儲氫罐會影響制氫功率分配情況，為得到更合理的儲氫罐容量曲線，避免儲氫罐容量設(shè)置不當(dāng)造成成本資源浪費，得到該系統(tǒng)的最大經(jīng)濟效益，考慮將儲氫設(shè)備的投資成本也納入收益的優(yōu)化，以確定儲氫設(shè)備的最優(yōu)容量

(8)

式中：Ctank為儲氫罐總儲氫量，t；hd為電解槽滿載運行時長，h。

由于儲氫罐具有儲氫量下限的要求，儲氫罐中可用氫氣量為儲氫罐中剩余氫氣量減去儲氫罐下限值。當(dāng)t時段儲氫罐中可用氫氣量大于氫負荷需求時，售氫量即為氫負荷需求量，否則只能出售t時段儲氫罐中的可用氫氣量以保證安全。在儲氫罐安全使用過程中，儲氫罐中的氫氣流量需滿足：

(9)

2.4 有功約束

在該系統(tǒng)中的有功功率保持守恒，并且要保證整個系統(tǒng)的日制氫量中綠氫比例為θGH以上，風(fēng)電出力均為綠電，電網(wǎng)每個時段綠電比例為θGE，其約束可表示為：

(10)

2.5 目標函數(shù)

將氫能證書體系與制氫加氫站相結(jié)合，通過可再生能源制綠氫以及電網(wǎng)功率制氫兩部分獲得不同數(shù)量氫證，氫證可用于氫證市場交易。制氫加氫站通過向氫用戶出售氫氣以及向氫證交易市場或碳交易市場出售氫能證書來獲得收益。不同的制氫功率來源將影響該過程中所核發(fā)的氫證數(shù)量，進而影響系統(tǒng)收益。站內(nèi)運行成本包括：向風(fēng)電場與電網(wǎng)購電的費用，電解槽與儲氫設(shè)備的運維費用以及儲氫罐的日均投資成本；在制氫加氫站與風(fēng)電場的合約制氫功率不足的情況下，制氫加氫站也可向電網(wǎng)購電?？梢愿鶕?jù)具體優(yōu)化結(jié)果合理選擇風(fēng)電場與制氫加氫站之間簽訂的合約。制氫加氫站的效益最大化的目標函數(shù)為：

(11)

2.6 優(yōu)化策略以及算法

首先計算風(fēng)電以及電網(wǎng)功率制氫方案下氫證核發(fā)量，不同生產(chǎn)方式對應(yīng)不同數(shù)目的氫證核發(fā)量。對氫證交易與制氫加氫站的相關(guān)參數(shù)進行合理設(shè)置。依據(jù)1.2節(jié)與2.1—2.5節(jié)的考慮氫證交易的制氫加氫站優(yōu)化模型，進行優(yōu)化求解，若無法得到收斂結(jié)果，則對部分約束進行一定松弛，得出的優(yōu)化結(jié)果即為制氫加氫站向風(fēng)電場與電網(wǎng)的購電決策方案。最后通過不同的風(fēng)電購電策略場景對比，評估氫證交易體系的價值。其中式(3)、式(4)中的非線性部分采用分段線性的方法，將上述模型轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性模型，再利用商業(yè)求解器Gurobi求解，最后得出制氫加氫站優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。制氫加氫站優(yōu)化運行策略如圖2所示。

圖2 考慮氫證交易的制氫加氫站優(yōu)化運行策略Fig.2 Optimal operation strategy of hydrogen production and hydrogenation station considering hydrogen certificate trade

3 算例分析

3.1 算例描述

為了提高制氫站綠氫的比例，該制氫加氫站與風(fēng)電場簽訂長期合約，優(yōu)化調(diào)度風(fēng)電場每日合約制氫功率與電網(wǎng)輔助制氫功率，使得整個系統(tǒng)在能保證日制氫量中具有相當(dāng)比例的綠氫產(chǎn)量的前提下，達到收益最大化。根據(jù)風(fēng)電場長期發(fā)電量曲線情況得到其典型日曲線，后文將就風(fēng)電購電量討論3種不同的合同簽署策略，在算例中確定選取最優(yōu)的風(fēng)電合約比例的購電方式。該算例計劃保證日售氫量中的50%以上為綠氫，推動氫證以及碳權(quán)交易市場發(fā)展，促進可再生能源消納。算例基本參數(shù)見表1。

表1 算例參數(shù)Tab.1 Example parameters

3.2 氫能證書核發(fā)量計算

不同生產(chǎn)儲運方案下的氫能生產(chǎn)項目具有不同的碳減排量，將在相關(guān)監(jiān)管部門認證后核發(fā)相應(yīng)數(shù)量的氫能證書。該案例中包含了風(fēng)電制氫以及電網(wǎng)制氫2部分，分別對應(yīng)不同數(shù)目的氫證核發(fā)量。電網(wǎng)制氫功率的碳排放量計算參考目前福建電網(wǎng)功率的碳排放因子數(shù)值情況，其中涉及的碳排放因子數(shù)值的確定由用電高峰時段的火電占比58%[19]，以及其他時段火電占比30%的比例計算得出。由于該部分制氫的生產(chǎn)儲運過程中產(chǎn)生的碳排放值超過了對應(yīng)的碳排放基準，即單位碳減排量為負數(shù)，此時需要在氫證交易市場或碳交易市場購買氫證或碳排放配額抵消超出部分，否則監(jiān)管部門將強制收取超出部分的碳排放費用。具體數(shù)值見表2。最后根據(jù)各部分氫能的生產(chǎn)總量計算得出核發(fā)相應(yīng)的氫能證書總量。

表2 不同產(chǎn)氫方案下的碳減排表Tab.2 Carbon emission reduction under different hydrogen production schemes

3.3 氫證體系影響分析

3.3.1 不同方案下有無氫證交易分析

本文假設(shè)調(diào)度時間間隔為1 h[20]，日氫負荷需求總量為4 t。為合理利用電力資源，降低成本，氫系統(tǒng)運行將遵從峰谷電價機制，電網(wǎng)分時段電價見表3。

表3 分時段電價與不同方案下的合約比例Tab.3 Time-sharing electricity price and contract proportions under different schemes

方案一：考慮氫證交易，與風(fēng)電場的合約電量為各個時段風(fēng)電場發(fā)電量的同一比例，該比例大小為優(yōu)化變量。

方案二：考慮氫證交易，與風(fēng)電場的合約電量比例隨峰平谷電價時段發(fā)生變動，則在不同時段對應(yīng)不同的優(yōu)化比例值。

方案三：不考慮氫證交易，與風(fēng)電場的合約電量比例隨峰平谷電價時段發(fā)生變動，則在不同時段對應(yīng)不同的優(yōu)化比例值。

根據(jù)3種方案的優(yōu)化結(jié)果在均滿足每日氫負荷前提下，得到對應(yīng)的合約比例，見表3。

3種合約方式下各參數(shù)單日總量見表4。通過合約比例可以看出，方案二、三相對于方案一而言，制氫加氫站具有更大的靈活性，可以隨著不同的上網(wǎng)電價而調(diào)整風(fēng)電合約電量，確定更恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)電合約比例，有利于整體收益。同時方案二、三的高靈活性減小了儲氫罐儲氫量，實現(xiàn)儲氫罐投入成本、購電成本的降低，以及對可再生能源的利用。

表4 不同方案的單日參數(shù)值對比Tab.4 Comparisons of single-day parameter values of different schemes

方案三的電解槽輸入功率來源的最優(yōu)分配與方案二相比，分配的整體趨勢相似，但方案二的風(fēng)電部分比例較大。結(jié)合表4數(shù)據(jù)可知，方案二相比于方案三單日風(fēng)電總用電量上升約51.8%，以及單日風(fēng)電總用電量占制氫加氫站總用電量的比例增長約31.0%。同時由于多了出售氫證的收入，系統(tǒng)整體收益增長7.5%；單日碳減排總量減少25.4 t，降低了約66.1%。方案二中單日生產(chǎn)4 t氫氣，其中3.28 t綠氫，可獲得相應(yīng)約65本氫能證書用于市場交易或繳納企業(yè)自身所需配額；灰氫0.72 t，該部分灰氫超過生產(chǎn)儲運氫氣所定的碳排放基準，需要2本氫能證書來扣除該部分灰氫的超標碳排放。顯然氫證系統(tǒng)主要考慮了氫氣的環(huán)境效益，鼓勵氫能生產(chǎn)企業(yè)消納可再生能源，主動擴大生產(chǎn)綠氫藍氫，減少在生產(chǎn)儲運過程中產(chǎn)生高碳排的灰氫的生產(chǎn)。通過出售氫能減排效益獲得氫證，推動氫證市場與碳權(quán)交易市場的流通和發(fā)展，將為氫能產(chǎn)業(yè)吸引更多投資者的注意。

3.3.2 綠氫占比分析

根據(jù)方案二與方案三的優(yōu)化結(jié)果，分別得到2種方案下單日不同時段出售的氫氣中綠氫質(zhì)量與灰氫質(zhì)量占比曲線，如圖3與圖4。由圖3與圖4的對比中可以看出：雖然氫負荷需求變化大，但在方案二中氫證體系下的制氫量較為平均，和緩的制氫情況有利于制氫加氫站中風(fēng)電與電網(wǎng)功率結(jié)合運行的穩(wěn)定。同時在上網(wǎng)電價高的階段，電網(wǎng)功率可以順利替換為風(fēng)電出力，在較高氫負荷需求下達到綠氫高占比的指標，出售綠氫質(zhì)量增長46.4%，綠氫占售氫總質(zhì)量的比例增大近25.8%，加入氫證體系使得綠氫占比進一步增大，在高收益的同時又取得了環(huán)保減排的成果。

圖3 方案二綠氫質(zhì)量與灰氫質(zhì)量占比曲線Fig.3 Ratio curves of green hydrogen mass to gray hydrogen mass of scheme Ⅱ

圖4 方案三綠氫質(zhì)量與灰氫質(zhì)量占比曲線Fig.4 Ratio curve of green hydrogen mass to gray hydrogen mass of scheme Ⅲ

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了氫能證書體系，即一種通過以目前碳排放基準為標準衡量氫氣替代高碳排燃料的減排效益的模式，利用氫氣帶來的減排效益可獲得等價的氫能證書，該氫能證書作為碳減排憑證或等量碳排放配額進行交易，可在氫證市場直接交易或流入碳市場獲得碳權(quán)排放的相應(yīng)收益。算例分析結(jié)果表明：

a)氫證市場的提出是響應(yīng)當(dāng)前氣候問題的舉措，它支持和鼓勵氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。氫證市場與碳交易市場的耦合主要體現(xiàn)在可將氫證等同碳排放配額進入碳交易市場交易，緩解碳交易市場的壓力，增加碳市場的流動性，實現(xiàn)對碳交易市場的積極效應(yīng)。氫證價格主要受碳交易市場的影響，由市場當(dāng)前的供需關(guān)系決定。而生產(chǎn)單位氫所獲氫證數(shù)量主要由產(chǎn)氫的碳排放基準值以及制氫方案共同影響。

b)氫證交易的加入激勵系統(tǒng)多產(chǎn)綠氫，出售綠氫產(chǎn)量增長46.4%，綠氫占售氫總質(zhì)量的比例增大25.8%，制氫加氫站系統(tǒng)總收益增長7.5%。氫證鼓勵氫能產(chǎn)商多產(chǎn)綠氫，以此增加整體收益以及對可再生資源的消納，而產(chǎn)灰氫可能導(dǎo)致制氫過程排碳量超過碳排放基準，還需購買氫證抵扣碳排放超出的部分，降低系統(tǒng)收益。

c)在目標函數(shù)為系統(tǒng)收益最大的情況下，增加氫證交易使得制氫加氫站對風(fēng)電的利用增加51.8%，風(fēng)電出力占制氫加氫站總消耗功率的比例增大31.0%。單日碳排放總量減少25.4 t，降低了約66.1%，氫證系統(tǒng)在風(fēng)氫聯(lián)合運行中，積極促進了風(fēng)電消納。