“双碳”目标下氢能在我国合成氨行业的需求与减碳路径北大核心CSCD

氨(NH3)是现代社会中重要的化工产品之一,在农业和工业等领域均有重要的应用。当前我国合成氨过程中原料氢的生产以化石能源为主,为实现“双碳”目标,有效缓解高碳排放问题,电解水制氢等绿色合成氨技术与氨的清洁利用技术成为重要的突破口。本文对我国合成氨现状以及未来趋势进行研究,并基于长期能源替代规划系统(LEAP)模型,结合经济性驱动,以氢气价格和政策为主要驱动因素,考虑不同原料合成氨的替代,模拟我国合成氨行业2020—2060年的氢需求及碳排放趋势。结果表明,2060年,我国合成氨需求量将达1.2亿吨,氢气需求量达2128万吨,新增需求主要来源于船舶氨燃料、氨发电等新领域,超过合成氨的氢需求量的50%。我国合成氨行业由化石能源向可再生能源转换有着巨大的潜力,随着可再生能源制氢成本的降低,可再生能源制氢合成氨占比将会大幅度上升,超过97%。在碳排放方面,我国合成氨工业将在2030年达峰,峰值为2.2亿吨,2060年合成氨工业碳排放920万吨。为实现碳中和目标,我国应在可再生能源丰富的地区优先开展电解水制氢合成氨示范项目,加大力度开展电解制氢以及温和条件合成氨关键技术及应用,尽早实现低碳合成氨技术大规模应用,在氨应用方面,加大氨燃料发动机和掺氨发电的研究。     

燃煤机组调峰运行的碳经济性分析

针对双碳背景下新能源占比逐渐提高的新型电力系统中燃煤机组调峰运行的碳经济性评估问题,建立了燃煤机组调峰碳经济分析模型,定义了单位发电碳排放率、消纳单位新能源发电碳排放增长率等碳经济性评价指标,研究了不同典型燃煤机组在电力系统中消纳新能源发电的碳经济性。结果表明：燃煤机组深度调峰至30%时,单位发电燃煤和碳排放成本之和增长约12%,但考虑消纳新能源发电带来的减碳效益,电力系统单位发电碳排放成本下降超过75%;在电力系统中新能源发电比例从0.1提升至0.8时,大容量高参数机组消纳单位新能源发电额外碳排放成本增长幅度相比中小容量机组低约30个百分点。     

碳中和背景下含氢综合能源系统碳排放和经济性分析

为研究“碳中和”目标下含氢能利用的综合能源系统(Integrated energy system, IES)中氢气来源方式对系统运行特性的影响,针对包含可再生能源发电和制氢设备、冷热电能源转换和存储设备、碳捕集设备等多种类型能源利用设备的综合能源系统,考虑多种负荷平衡约束、设备运行约束和碳中和目标约束,以系统日运行成本最低为目标函数建立数学模型,以仿真园区综合能源系统为计算案例,分析了系统供能网络供应不同来源氢气和分布式可再生能源制氢方式对系统运行经济性和碳排放量的影响。研究表明：以可再生能源制备的氢气为燃料时综合能源系统的运行成本最高,但CO₂排放量最低;在碳中和前提下,将当地分布式可再生能源发电量中的98%用于供电、2%用于制氢比全制氢时该系统运行成本减少26.1%、碳排放量降低19.7%,比全供电时该系统碳排放量减少5%、运行成本增加2.85%;在碳中和前提下,当可再生能源制氢效率提升10%后,系统实现最低碳排放量时可将可再生能源制氢功率占比从原来的2%提升至5%;当碳捕集设备能耗减少10%后,系统实现最低碳排放量时可将可再生能源制氢功率占比从原来的2%提升...     

储能系统和新能源发电装机容量对电力系统性能的影响北大核心CSCD

随着“双碳”目标的不断推进,新能源发电装机容量将持续增长,由于新能源发电具有不稳定性,因此分析新能源装机容量与储能系统容量增加对电网性能的影响具有重要意义。本工作以某省电网为对象,参考其电网组成建立了包含风电、光伏、火电和储能在内的电力系统调度模型,应用信息间隙决策理论和蒙特卡洛方法模拟了用户负荷和新能源发电的不确定性。研究结果表明:当新能源装机量翻倍时,新能源发电量占比可以提高62.6%,但运行成本也会提高18.7%。当储能系统容量从0 GW提高至15 GW时,可使运行成本降低14.4%,新能源发电量占比提高22%。同时发现,当新能源消纳率低于95%时,储能容量的提高将主要带来新能源消纳的提高;当消纳率高于95%时,储能容量的提高将显著降低电网波动性。该研究对未来低碳能源和智能电网建设中新能源和储能系统装机容量的配置具有一定的指导意义。     

新能源发电工程储能系统容量/功率优化配置

新能源风、光发电工程中配置一定容量的储能系统,可以显著提高新能源发电的消纳水平。储能系统的容量/功率的优化配置可最大程度提高储能系统利用效率和经济性,同时将新能源风电、光伏的弃电率降低到设定的目标值。提出以全生命周期内储能系统净现值最大为目标,综合考虑储能系统全生命周期内投资、运维成本、购电成本、售电收入、充放电效率、荷电状态、储能电池寿命、弃电率等多种因素的储能系统容量/功率优化配置方法,并以青海某工程1 030 MW光伏阵列和250 MW风电场的运行数据为例,计算得到该新能源风电、光伏发电工程中净现值最大的储能系统容量/功率配置,使整个储能系统获得最优的经济性。     

基于动态电价风光电制氢容量配置优化

为降低风光发电弃电率及提高上网风光电品质,提出加入储能单元的风光电耦合制氢系统。以能量管理算法和容量最优化算法为核心,同时考虑动态电价的影响,以单位制氢成本最小为目标,对储能单元和制氢单元容量进行优化配置。算例针对500 MW的风电场和100 MW的光伏电站,计算最优容量配置下的最小单位制氢成本,并将该成本与煤气化制氢成本比较,分析风光电制氢的可行性。最后通过敏感性分析,指出提高风光电制氢经济效益的关键因素。     

我国可再生能源与盐穴氢储能技术耦合发电的分析与展望北大核心CSCD

本文结合我国目前可再生能源与氢能的发展趋势,对国内外当前地下盐穴储氢技术的发展现状进行了综述,指出江苏省拥有丰富的可再生能源与地下盐穴资源,其可再生资源与储能地址的重合性较好可作为发展该技术路线的理想选址。并对可再生能源与盐穴氢储能耦合发电技术的可行性与该技术路线全周期的发电成本进行了系统分析。这一技术路线通过可再生能源电解水制氢以化学能形式回收可再生能源,然后通过地下盐穴大规模储能,并在需要时利用燃料电池再发电将可再生能源重新利用。本文综合考虑和分析了制氢成本、储氢成本以及再发电成本,对该技术路线再发电的度电成本进行了初步分析。结果表明:当前该方式再发电的度电成本较高,为1.88元/kWh左右,其中电费成本和设备成本分别占总成本的61.1%和25.6%。若利用可再生能源发电的过盈电能进行电解水制氢且技术路线中的相关设备成本降低至当前的50%,则该技术路线的度电成本可降低至0.49元/kWh。想要进一步降低该技术路线的发电成本则还需要依赖于技术和制造水平的进步将燃料电池的发电效率进一步提高,若燃料电池效率提升至60%,则该技术路线的度电成本能够进一步降低至0.43元/kWh,基本与当前电价持平,具有实际应用价值。同时该技术路线的发展能够促进相关制造业的发展与技术进步,提高我国能源安全与在国际能源领域的竞争力,并助力我国尽快实现能源结构优化转型和“双碳”目标。随着未来电解槽和燃料电池等设备的技术水平与效率的提升,该技术路线将具有极高的应用前景。     

适应大规模新能源消纳的网源协调系统控制优化研究

光伏发电、风电等新能源出力的波动性和随机性会造成发电系统输出功率随机波动,加重电网频率的调节负担,同时大规模新能源接入电力系统,会替代部分常规机组,进一步削弱电网的调频能力。首先阐述了大规模新能源并网后对电力系统频率响应的影响及电力系统对调频的需求,然后从光伏发电、风电等新能源,需求侧资源,储能系统等参与调频以提高电网调频能力方面进行了综述分析。结论表明,光伏发电、风电等新能源参与调频,需求侧资源与适当容量储能合理参与调频市场是提高电网调频能力的有效方法,随着调度技术的日益成熟、储能成本的降低,针对电网调频进行研究将具有更高的实际应用价值。     

新能源制氢在传统炼化企业的应用

  目的  化石燃料和新能源电力在使用和发展中面临着问题与挑战。为解决传统炼化企业依赖化石燃料制氢中的碳排放问题,和新能源电力发展中的波动性问题提供建议,有必要对氢气制备技术的应用与发展,和传统炼化企业的氢气网络状况进行梳理。  方法  调研了氢气制备技术的应用与发展,尤其关注了关键技术电解水制氢技术的应用发展;分氢制备、氢使用、氢纯化三部分对传统炼化企业的氢气网络进行了深入剖析。  结果  通过总结,提出通过电解水制氢技术将富余的新能源电力与传统炼化企业氢网络相结合的设想。在传统炼化企业附近布置新能源电给,不但可以供炼厂日常用电,还可将因波动性大而无法直接利用的弃电部分,直接通过电解水制氢技术,制氢供传统炼化企业使用,有效降低传统炼化企业的碳排放强度。  结论  要解决化石燃料使用中的碳排放问题与新能源电力使用中波动性高的问题,实现新能源制氢在传统炼化企业的应用,还面临着诸多挑战。     

考虑储能及碳交易成本的电热联合系统优化调度策略

为减少电力行业发电过程中碳排放对环境的污染、提升风电消纳比例,文章提出了综合考虑储能及碳交易成本的电热联合系统优化调度策略。首先,在分析系统产生弃风原因的基础上,对引入电储能提升系统灵活性进而促进风电消纳的机理进行研究;其次,分析碳交易机制对电热联合系统的影响并建立碳交易成本模型;然后,构建以总成本最低为目标的优化调度模型,综合考虑火电、热电机组运行成本、风电运行维护成本及弃风惩罚费用、储能装置运行成本、碳交易成本及系统各单元约束;在保证系统安全可靠的基础上采用Yalmip/Gurobi对所建模型进行求解;最后,通过算例对比分析,验证了碳交易对电热联合系统能源结构的优化作用,以及在碳交易下,储能的参与对于进一步提升系统新能源利用率和经济环境效益的有效性。     

绿氢制备经济性趋势分析

氢能被认为是未来能源系统的重要组成部分,只有通过可再生能源电力制备的绿氢才是清洁的能源产品。在绿氢替代传统化石燃料制氢的过程中,经济性是重要的制约因素。在分析预测可再生能源发电成本和绿电获取成本的基础上,分别计算使用电网绿电连续制备绿氢和使用可再生能源发电间歇制氢的成本,结合氢气储运场景,研究绿氢制备经济性的发展趋势。研究结果表明,采用电网绿电配合碱性电解槽连续制备绿氢,是当前最经济可靠的绿氢制备方式。如采用专用绿电制氢,2030年前陆上风电+碱性电解槽制氢成本最低,专用光伏发电+碱性电解槽制氢将在2030年后成为经济性最好的专用绿电制氢方式,而专用光伏发电+PEM电解槽制氢的成本始终最高。采用专用陆上风电和光伏+碱性电解槽制备氢气的经济性,在2025年后将超越天然气制氢+CCS,在2040年后会逐步超越煤制氢+CCS。电力成本是驱动未来绿氢制备成本下降的主要因素,电解槽成本下降对绿氢成本下降影响较小。建议要加强先进绿电制氢技术研发,拓宽可再生能源发电终端消纳的途径;同时要加强对国际绿氢制备前沿技术的跟踪。     

规模化多元电化学储能度电成本及其经济性分析北大核心CSCD

多元储能技术作为优化能源结构、促进新能源开发和保护生态环境的重要手段是构建新型电力系统的关键环节。本工作根据储能规模化发展需求,聚焦规模化多元电化学储能的度电成本与经济性。文章从多元电化学储能技术的应用现状出发,考虑到电化学储能的成本构成和特性,建立了多元储能优化全寿命周期LCOE模型,对电化学储能技术的经济性进行了测算。分析表明,提高电化学储能经济性的关键在于降低储能的初始投资成本或单位容量成本。最后,结合我国国情对规模化电化学储能的经济发展进行了总结与展望。     

关于电力企业发展氢能产业的建议

发展氢能业务已成为国内外能源公司清洁低碳发展的共识.通过分析发现,以可再生能源电力电解制氢为核心的电转气模式和以燃料电池发电为核心的气转电模式,是国内外电力企业在氢能产业上布局的重点.电解水制氢技术是电转气系统的关键,目前电解水制氢的平均投资成本和氢气成本明显高于传统的甲烷重整制氢和煤制氢,随着技术的进步、可再生能源发...     

Life-cycle energy efficiency estimation of large-scale ammonia fuel energy storage system

本文讨论了氨作为燃料使用会具备与传统化石燃料显著不同的环境效益,并进一步探讨了氨作为储能介质的特点,包括储能密度和规模大、受地理条件约束小、便于运输存储等。本文还针对目前的合成氨路线从理论分析和工业实际两个方面对合成效率进行了估算和评价。针对目前国内核能、风能、太阳能等清洁能源电力的低谷或弃电问题,建议采用以制氨的方式存储或外运,以便于在电力不足时将其用于发电。建议并评估了几条基于制氨并发电的路线,并基于现有氨燃料的发电效率计算了各路线在全生命周期内的总储能效率（25%～40%）和以电换电的效率[2.5～4.0(度/10度）]。     

天然气发电与电池储能调峰政策及经济性对比

构建以新能源为主体的新型电力系统,意味着风电和光伏将成为未来电力系统的主体.新能源发电固有的随机性、间歇性、波动性使调峰问题日益突出.燃气电站和电化学储能由于可调范围大、响应速度快,未来有望成为重要的调峰资源.首先,梳理了各省天然气发电调峰、储能调峰相关政策和市场规则,从准入门槛、参与方式、申报价格等方面进行了对比分析;然后,基于平准化电力成本(LCOE)概念,详细分析了包含初始投资、运维检修、燃料成本在内的天然气发电调峰电站、储能电站成本构成;最后,以某省为例,对比燃气发电调峰和储能调峰经济性,定量分析了初始投资、利用小时数、燃料/充电成本等因素对平准化电力成本的影响.通过对比得出,随着成本的不断下降,未来在短时调峰方面,电池储能将比燃气发电调峰更有竞争力.     

绿氢-绿氨工艺流程的多稳态模拟和动态响应

绿氢-绿氨工艺是指利用可再生能源发电、电解水制氢得到的氢气为原料合成氨的工艺流程,其具有受天气条件影响、负荷波动大、工段间耦合性强的特点。为研究绿氢-绿氨工艺流程中发输变电、电解水制氢、储氢、电化学储能、合成氨等工段之间的系统集成和协同调度方案,利用新一代流程模拟软件AVEVA Process Simulation建立了稳态-动态双模式通用型绿氢-绿氨全流程工艺模型,并通过多稳态模拟的手段分析了系统对天气变化的动态响应。结果表明,合理设计和调度储氢和储能单元不仅可以显著稳定化工生产、合理消纳可再生电力,还能稳定网电补充,提高整体经济效益。     

氨分解变压吸附制氢工艺初探

以氨分解变压吸附制氢工艺代替传统的水电解制氢工艺,具有明显的节电优势,并降低制氢成本。该工艺技术成熟,国内有成套设备供应。在液氨供应颇频地区,采用该工艺可使企业获得较好的经济效益。 新工艺分氨分解与变压吸附纯化两部分。液氨经预热蒸发成气氨入分解炉,在催化剂作用下分解成含氢75％,含氮25％的氢氮混合气,再入吸附塔通过分子筛变压吸附纯化,可得纯度>99.9％的产品氢气供需用。 经对上海玻璃仪器一厂采用氨分解变压吸附制氢可行性研究方案的评估,与水电解制氢工艺比较,在400标米~3/时规模时,年净节电为350万千瓦时,节电率18.23％,降低制氢成本27.39万元,投资约为原来的1/2。     

考虑光热电站参与的新能源热电联供型微网运行优化

针对传统热电联供型微网运行存在的问题,文章引入光热电站,并结合风力发电、光伏发电、电加热器、储能系统构成热电联供型微网,提出了一种计及微网运行成本的新能源热电联供型微网运行优化策略。该优化策略综合考虑与外部电网交互成本、各设备维护成本、储能老化成本及热电功率平衡约束等因素,建立了热电联供型微网运行优化模型,并采用YALMIP工具箱进行求解。结果表明:该模型运行成本降低了6.2%,电加热器配合光热电站可以提高微网的运行灵活性,实现电-热能量的双向流动,光热电站在一定范围内增大了发电规模,可有效降低微网运行成本。     

炼化企业氢气系统优化

随着氢气消耗量的日益增大,氢气成本已经成为炼油企业原料成本中仅次于原油成本的第二位成本要素。炼化企业的氢气系统目前基本是基于经验进行管理,不平衡现象时有发生,管理水平有待提高。针对炼化企业氢气系统存在的问题,建立相应的优化模型,可有效提高氢气利用率,降低氢气系统运行成本。氢气系统优化模型综合考虑了氢气系统的氢阱约束、氢源约束、压缩机约束、流股约束等约束条件,采用非线性数学规划法(MINLP)建模,优化计算得到氢气系统优化方案。优化效果表明,该模型可有效降低氢气系统的运行成本,通过汽柴油加氢装置氢油比优化,每年可获得经济效益23万元;通过制氢装置原料气优化,每年可获得经济效益260万元;通过制氢装置中变反应优化,每年可获得经济效益346万元;通过新建PSA装置回收氢气,每年可获得经济效益915万元。几项合计,每年可实现总效益达1544万元。     

基于太阳能和朗肯循环的热电氢联供系统

随着世界各国对太阳能产业发展的日益重视,太阳能高效利用技术已成为新能源研究的热点.然而,由于太阳能具有间歇性、波动性及低能量密度等特点,造成太阳能在存储和利用过程中存在储能成本高、工艺复杂、整体利用率低等问题.太阳能发电与制氢技术的有机结合可将太阳能转化为氢气进行存储,实现能源间的高效转化与利用,可有效解决上述问题.本...