《考虑碳捕集和气网混氢的气电耦合系统低碳经济调度》

• 来源专题：可再生能源
• 编译者： 武春亮
• 发布时间：2024-06-12
• 原文来源：https://news.bjx.com.cn/html/20240607/1381717.shtml

“3060”双碳目标背景下,能源系统如何有效减碳成为关键问题。多能源系统耦合运行,提升可再生能源占比是能源系统减碳的必然趋势。同时,在综合能源系统基础上,采用新型减碳技术、联合
碳捕集
等新装置,引入碳减排机制是当前的研究重点。
(来源:中国电力 作者:杨宇玄 高栋梁 陈一鸣 周步祥 陈阳 臧天磊)
《中国电力》2023年第10期刊发了杨宇玄等人撰写的《考虑碳捕集和气网混氢的
气电耦合
系统低碳经济调度》一文。文章旨在以经济激励和系统结构优化为双重手段,应对碳排放挑战,聚焦于电制氢与气网混氢技术的联合应用,以提升能源转化效率,推进系统经济性与低碳性。在包括储液式碳捕集、电转气、气网混氢设备及低碳奖赏的碳交易机制基础上,构建了一套气电耦合系统低碳调度模型。本文优化了传统系统低碳经济调度研究中新技术应用单一的问题,并结合市场作用进一步提升系统低碳运行能力。考虑掺氢安全和气网热值等约束进行建模,通过算例对比验证了储液式碳捕集的灵活性以及电转气、气网混氢技术的高效性。此外,通过对奖励系数和碳交易价格的灵活调整,总结了其对系统总成本和碳排放的影响规律。
摘要
针对气电综合能源系统低碳调度问题,气网混氢、碳捕集、电转气均是有效的技术手段,同时碳交易机制也是控制碳排放的有效经济手段。因此,本文构建了含富液罐和贫液罐的碳捕集电厂模型,结合电转甲烷技术模型,灵活回收利用系统中的CO2;同时,构建了气网混氢技术模型提高能效,并考虑气网混氢时节点热值变化约束,以奖励式碳交易成本和运行成本之和为目标函数;最后基于改进的比利时20节点天然气系统和IEEE 39节点电力系统模型开展算例测试,结果显示综合考虑碳捕集、气网混氢和奖励式碳交易机制能提高系统低碳经济调度水平,同时调节碳价和奖励系数能灵活调节系统碳排放水平。
01
气电耦合系统建模
1.1 碳捕集建模
碳捕集和封存是一种收集并封存CO2的技术,通常CO2的来源是火力发电厂、钢铁厂、化工厂等。针对火力发电厂,常规碳捕集方案有3种:燃烧前进行捕集、燃烧时掺入富氧再进行捕集以及从燃烧之后的烟气中进行捕集。第3种方式能够直接从传统工业排放的烟气中捕集,利用化学溶剂吸收大量CO2。理论上,燃烧之后的捕集方式适用于所有的火电厂,成为应用相对广泛的方式,故主要考虑第3种碳捕集技术。
传统碳捕集电厂是利用烟气分流的方式调节碳排放,理论上火电机组在出力增加的时候,机组产生的碳排放也增多,应当调节烟气分流比例以增加碳捕集力度,实现碳资源的再利用。但是碳捕集机组存在固定损耗和运行损耗,当系统处于高峰负荷状态时,火电机组没有足够的能量启动碳捕集装置,因此会造成高峰负荷状态下碳排放也增加的情况。储液式碳捕集机组利用储液罐的设计,将碳吸收和碳利用的流程解耦,实现在高峰负荷时吸收并存储碳资源,而在低谷负荷时释放利用碳资源。储液式碳捕集机组具备更高的灵活性,其结构如图1所示,烟气经过分流装置,使其一定比例进入吸收塔,其余则排放至大气。烟气经过吸收塔处理后,形成CO2含量高的液体,称为富液;增设富液罐进行存储,使得富液成为灵活性资源,在CO2需求量大时排出,反之储存。富液在高温条件下产生逆反应,CO2在再生塔中被分离出来,完成捕集。此时,再生塔溶剂中CO2含量低,称为贫液;同理,通过增设贫液罐进行存储,使贫液得以灵活调用。储液式碳捕集依靠装置协同作用,将碳的吸收与释放过程解耦,提高系统运行灵活性。
图1 储液式碳捕集结构示意
Fig.1 Schematic diagram of liquid storage carbon capture model
贫液、富液罐建模表达式如下。
1.2 气网混氢模型
氢气热值和天然气热值存在较大差异,氢气高热值为12789 kJ/m3,甲烷高热值为39829 kJ/m3,天然气的主要成分为甲烷,由此可见,氢气热值和天然气热值的差异在60%以上,采用算例验证了考虑热值对综合能源系统的重要性。气网混氢的混合气体热值变化直接影响气网的运行状态,因此有必要考虑混合后热值变化问题。混氢时假设不同气体在某节点均匀混合后,再以同一热值的混合气体流出该节点,混合前后保持总气质守恒。气网网络节点热值表达式为
02
碳交易机制建模
传统的碳交易机制中,对超出系统的碳排放量以统一碳价或阶梯碳价进行约束。本系统中采用计及低碳奖励的阶梯碳交易模型,在传统阶梯型碳交易的理论基础上,新增奖励机制,即当系统碳配额出现剩余情况时,设置一定的奖励,奖励设定为阶梯式,碳配额剩余越多时,奖励单价越高。未来,含高比例可再生能源的新型电力系统会存在碳配额剩余的场景,此时传统碳交易机制则存在一定的瓶颈,对碳配额剩余量采用无差别的碳交易单价,无法深度激发减碳潜力,但计及奖励的碳交易方式提供了阶梯型的奖励单价,使得低碳排放的企业能获得不同程度奖励,因此能进一步释放企业碳减排潜力。
实际参与奖惩计算的碳排放量Ccount可表示为
03
低碳经济调度模型与求解
3.1 目标函数
算例求解流程如图2所示。求解步骤如下。1)录入气电耦合系统初值,包括气网络热值初值;2)选择是否混氢、碳交易机制、碳捕集装置以及对应的目标函数;3)针对气网络中包含非线性约束的情况,本文采用二阶锥方法松弛,然后算例采用Cplex求解模型,开始首次迭代;4)依据求解结果,更新气网络热值和节点气负荷值;5)判断更新前后的热值和气负荷流量精度,满足要求则输出结果,否则返回步骤3展开新的迭代。
图2 模型求解流程
Fig.2 Model solving process
04
算例分析
在改进的比利时20节点天然气网络和IEEE 39节点电力网络基础上展开分析与验证。详细网络结构见图3,电力负荷、风电预测出力和燃气负荷数据见图4。天然气系统中包含2台P2M装置、2台P2H装置、4组气源。电力系统中包含8台火电机组,其中38号和36号2台火电机组加装碳捕集设备,2台风电机组和2台燃气轮机。
图3 气电耦合系统测试结构
Fig.3 Test structural diagram of gas-electricity coupling system
图4 测试系统的风电预测值、电负荷和气负荷值
Fig.4 Values of wind power forecasts, electrical loads and gas loads of the test system
4.1 不同场景对比分析
为验证系统中综合考虑储液式碳捕集设备、气网混氢技术和含低碳激励的碳交易机制共同作用时,调度结果的低碳性和经济性,构建4种运行场景进行验证。场景1:仅考虑含低碳激励碳交易的系统;场景2:考虑低碳激励碳交易和气网混氢的系统;场景3:考虑低碳激励碳交易、气网混氢和常规碳捕集设备的系统;场景4:考虑低碳激励碳交易、气网混氢和储液式碳捕集设备的系统。
由表1可知,场景2相较场景1碳排放量减少了267.59 t,弃风量减少了75.21%,总成本降低了234.82万元。因为增加气网混氢环节后,电制氢产生的氢气能够在一定比例限制内直接混入气网,如图5所示,利用气网混氢可省去甲烷化反应过程,提高了能源转化效率,节约运行成本,进一步提高了风电消纳水平,促进风电制氢。氢气混入气网,电网能量转移至气网,为气负荷供能,进而减少购气成本,进一步降低系统碳排放。
表1 4种场景的调度结果
Table 1 Scheduling results for 4 scenarios
图5 电转氢和电转甲烷流程
Fig.5 Electricity to hydrogen and electricity to methane conversion processes
相较于场景2,场景3在碳排放方面减少了405.83 t,弃风率降低了27.7%,总成本减少了188.43万元。以场景3中04:00的36号碳捕集机组为例,此时火电机组运行在最低出力状态,但场景3中的火电出力仍需部分用于补偿碳捕集固定能耗。因此,与传统机组相比,36号机组在为外部平衡提供发电出力时的下限降低,类似于具有更低调节下限的火力发电机组,这有助于进一步提高风电的消纳能力。与此同时,碳捕集系统吸收CO2,为系统提供了碳收益,增加了电转气的比例,降低了采气成本。
相较于场景3,场景4在碳排放方面减少了513.46 t,弃风率降低了132.73 MW,总成本降低了109.61万元。场景4中采用储液式碳捕集技术,实现了碳捕集和甲烷化过程的解耦。结合可灵活调节的烟气控制系统,该技术促进了系统对CO2的吸收,并将其储存在富液中,作为灵活的资源参与电转气过程。
4.2 考虑不同奖励系数对碳排放和总成本的影响
系统奖励系数从0逐渐增大时,使得系统碳配额单位剩余量的碳收益增大,从而降低系统碳交易成本。由图6可知,当奖励系数小于0.43时,碳排放水平维持在17014 t,原因是该阶段奖励系数偏小,碳收益优势不明显,系统将重负荷时段的碳排放储存起来,转移至其他时段释放,从而降低了系统总成本。当奖励系数大于0.43时,减碳收益权重增加,则刺激系统整体碳排放降低,系统中燃气机组出力提高,而火电出力降低,使系统碳排放配额剩余量增大,同时单位剩余配额收益增加,此时碳排放水平降低至16 914 t。同理,当奖励系数大于1.12时,碳排放水平得以降低至16 675 t左右。系统总成本逐渐下降。
图6 奖励系数变化对碳排放量和总成本的影响
Fig.6 Effect of change of incentive coefficient on carbon emissions and total cost
4.3 考虑碳交易基础价格对碳排放和总成本的影响
由图7可知,当碳交易基础价格低于44元/t时,随着碳交易基础价格增加,碳排放逐渐减少,原因在于系统处于碳配额大于碳排放的场景。碳交易基础价格越高,对应系统单位剩余碳配额的收益增加,因此系统逐渐减少高碳排放机组出力,增加低碳排放机组出力,从而增大系统碳配额剩余量,从而提高系统碳收益,总成本下降。当碳交易基础价格大于44元/t时,系统低碳机组达到最小出力,因此系统碳排放不再随碳交易基础价格减小。又因为系统单位碳配额收益随碳交易单价继续增加,因此总成本仍保持下降。
图7 碳交易基础价格变化对碳排放量和总成本的影响
Fig.7 Impact of carbon trading price changes on carbon emissions and total costs
结合以上算例可知,在制定系统碳交易基础价格时,可参考图7中的价格拐点。同时再通过设定合理的奖励系数,进一步灵活调节系统碳排量和总成本。合理搭配2种参数,得以充分利用市场的影响力,更有效地提高系统减碳潜力。
05
结论
1)通过4种场景对比可知,在低碳激励的系统基础上引入气网混氢技术和储液式碳捕集,碳排放降低了1186.88 t,总成本降低534.93万元,弃风量降低了88.37%。考虑储液式碳捕集、气网混氢、低碳奖励碳交易机制能在保证经济性的同时,进一步降低系统碳排放。
2)通过调节奖励系数的测试,验证了该系数变化对碳排放水平和总成本的影响。当奖励系数从0逐渐增加时,碳排放水平在奖励系数为0.43和1.12处呈现阶梯型下降、总成本下降。实际中可以结合系统需求,合理设定系数进而调控碳排放与成本。
3)通过调节碳交易基础价格的测试,验证了该价格变化对碳排放水平和总成本的影响。当价格从0元/t逐渐增加至44元/t时,碳排放水平减小至稳定值后不再降低,因此,实际中也可应用本文方法,根据系统需求选择合适的碳交易价格。
本文所提模型,通过增设碳捕集储液罐、气网混氢技术,提高能源利用灵活性,通过引入碳交易机制从市场层面刺激减碳。未来将会考虑天然气系统的动态变化,从多时间尺度,更准确地对系统进行建模,验证得到更准确的运行结果。