化工系统消纳可再生能源的电-氢协调储能系统优

引 言

氢气是化工生产系统中的重要原料。随着炼油装置加工高硫、重质油比例的增加和现代煤化工产业 的迅猛发展，化工生产系统的氢气需求量急剧增加。目前，氢气主要采用煤气化法、天然气法、烃类蒸汽 转化法等进行大规模生产，在制氢过程中消耗大量化石能源并排放大量 CO2 。
为了提高可再生能源的利用率，减少 CO2 排放，采用电解水方法制备氢气作为储能介质消纳具有随 机的、间歇的可再生能源已成为近年的关注热点，并广泛兴起 Power to Gas (PtG)技术。该技术以电解 水为核心工艺，不仅可将氢气作为储能介质进行能量存储，也可生产化工过程中所需原料的氢气。
采用 PtG 技术生产氢气并合成氨或甲醇，以化学品形式进行储能。中惠普提出了用风力发 电电解水制氢生产氨气的供应链结构，并比较了这种方法与用传统方法生产氨气的经济性和环境影响。 北京中惠普研究了可再生能源发电电解水制氢与 CO2 反应制甲醇系统的技术经济性，着重分析了规模 化生产的投资费用和投资回收期。Bellotti分析了可再生能源发电电解水制氢生产甲醇的可行性。Chen 等[24]的研究表明，利用可再生能源电解水产生的氢气提高氢碳比可有效降低煤化工系统的 CO2 排放。炼 化系统和煤化工等能源化工工艺系统需求大量的氢气和电力，在化工生产系统中引入可再生能源，不仅 可以部分解决原料氢气和电力供应的问题，提高可再生能源消纳能力，而且还可以有效降低能源化工生 产系统温室气体排放。然而，在将可再生能源系统与化工过程系统进行耦合时，亟待解决化工过程系统氢 气需求的波动性与可再生能源间歇性和波动性的协调匹配问题，其关键是构建电-氢储能系统的协调机制 和运行方法。

针对上述问题，本文以可再生能源与化工过程耦合系统为对象，构建了基于电-氢储能的多能耦合系 统模型，以满足化工过程系统中波动的氢气需求为主要目的，同时以电力和氢气作为储能介质，对该耦合 系统中的电-氢储能系统进行了优化设计，并分析储能方式的选择和权衡以及系统内部各组件的耦合作用， 为多能耦合系统中电-氢储能的协调设计和操作优化提供计算方法和分析工具。

1 化工系统消纳可再生能源的电-氢储能系统

可再生能源系统与化工过程系统耦合的多能耦合系统主要包括风力发电系统、电解槽系统、电-氢储 能系统、加氢系统和氢气公用工程系统 5 个子系统，其中电-氢储能系统包括电池储能系统和氢气储罐系 统。该系统中各子系统之间通过电力和氢气进行耦合，图中实线表示系统中必须存在的结 构或组件，即基准结构，虚线表示可选择的结构或组件。
在该系统中，风力发电的电力可用于电解水制氢，所制得的氢气进入加氢系统。例如， 对于炼化工艺系统，氢气将用于重油轻质化和油品脱杂等加氢过程。当风力发电的电力过剩时，多余电量 可以储存在电池系统，也可通过电解水制氢过程将氢气储存在氢气储罐（HT1）中，或将过剩电力废弃； 当风力发电的电力不足时，电池系统储存的电量则可供给电解水系统制备氢气。因此，该系统中加氢系统 所需的氢气由氢气储罐和电解槽共同供应。当采用可再生能源制备所得氢气无法满足加氢系统的氢气需 求时，加氢系统所需氢气则需外购氢气进行补给。考虑外购氢气流率受其稳定性限制，需要配置氢气储罐 （HT2）维持来自氢气公用工程氢气流率的稳定性。

2 问题描述

多能耦合系统，给定
（1）发电侧风力发电的供应曲线和负荷侧氢气的需求曲线；
（2） 系统中电解槽、电池、氢气储罐等组件的操作参数；
（3）电网的电价、氢气公用工程的价格和氧气价格等。
本文将以多能耦合系统的总费用最小为目标，建立数学规划模型，确定电-氢储能系统中电池和氢气储罐 以及电解槽的最优容量配置和功率调度方案、每个时刻氢气公用工程供氢量以及电力和氧气的输出量， 并根据计算结果分析储能系统中储电和储氢的设计和运行特性，以解决化工过程系统氢气需求的波动性 与可再生能源间歇性的协调匹配问题。

3 数学模型
对外购氢气的流率进行了限制，外购氢气较氢气负荷会出现过剩或亏缺。为了维持来自氢气公 用工程氢气流率的稳定性，需配置氢气储罐（HT2）。从而对于外购氢气而言，可直接供应负荷需求或储 存在氢气储罐（HT2）中，表示为 HU HU,D HU,HT2
电-氢储能系统的设计特性分析 本节从容量配置和经济性的角度对场景 S1 和场景 S2 中电-氢储能系统的设计特性进行分析。为了阐 明电池储能和氢气储罐储能的协调作用，本文分析了 3 种电-氢储能系统： System A：仅采用电池的储能系统； System B：仅采用氢气储罐的储能系统； System C：电-氢协调储能系统。
给出对上述 3 种电-氢储能系统的计算结果。 在场景 S1 中，对于电-氢储能系统，在采用电池和氢气储罐协调储能的 System C 中，电池容量是 System A 的 0.13%，氢气储罐容量是 System B 的 90.96%，说明电-氢共同储能的系统相较于仅采用电力 储能或氢气储能的系统，电池容量大幅度减少，而氢气储罐容量变化幅度较小。同时，在 System C 中， 氢气储罐的容量是电池容量的 595 倍，说明在电-氢协调储能的系统中，电池的容量远小于氢气储罐的容 量。这是因为相较于氢气储罐，电池的费用较高，因而系统会优先选择氢气储罐作为储能组件。 在场景 S1 中，对于电解槽配置，其容量大小的顺序为：System A< System C< System B，其中 System B 的电解槽容量是 System A 的 3.95 倍，System C 的电解槽容量是 System A 的 3.73 倍。上述结果表明， 储能系统中配置电池可以有效地减少电解槽的数量。这是因为，如果系统中仅有氢气储能，发电侧的电量 将全部转化成氢气储存，为了满足发电侧的最大功率要求，势必加大电解槽的容量和负荷。而当系统中配 置电池储能时，电解槽产生的氢气仅需要满足负荷需求。因此，储能电池可以降低电解槽的最大负荷，尽 管电池储能的费用要高于氢气储罐的氢气储能，但电池的利用可以减少电解槽的数量。因而，对于该储能 系统而言，需要在电池、氢气储罐和电解槽之间进行权衡。

5 结 论
为了解决化工过程系统氢气需求的波动性与可再生能源间歇性和波动性的协调匹配问题，本文建立 了可再生能源系统和化工过程系统的电-氢协调耦合储能系统模型。在给定发电侧电力和负荷侧氢气需求 情况下，以电-氢储能系统总费用最小为目标，研究了电-氢协调储能系统的优化设计和运行方法，并分析 了电-氢储能的配置和运行特性，主要结论如下： （1）当化工系统的氢气需求全部由可再生能源发电制氢提供时，在电-氢储能系统中同时采用电池和 氢气储罐储能可有效地降低系统的总费用，但电-氢储能系统的最优容量配置方案需要对电池、氢气储罐 和电解槽的数量和费用进行权衡；
（2）在电-氢储能系统中，电池和氢气储罐的运行特性显著不同，电池充放电频繁，可平抑短期内发 电侧发电出力和负荷侧氢气需求的波动；而氢气储罐的变化较为平缓可用于协调发电侧和负荷侧较长时 段的不匹配；
（3）随着可再生能源渗透率的增大，系统的总费用显著增大。为了维持外购公用工程氢气流率的稳 定，需要增大电解槽和电-氢储能系统容量以匹配发电侧电力和负荷侧氢气的波动。 需要说明的是，在本文研究的场景中，风力发电量给定，因而弃电率的大小并不影响系统的经济性。 然而，由场景 S3 的分析可见，当渗透率较小时，对于化工系统过剩的电量应考虑并入电网，以提高可再 生能源的利用率，这对于整个系统的经济性和优化运行具有重要意义，需要进一步研究。