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双碳目标下，我国能源电力转型进程进一步加快，同时面临可再生能源大规模开发利用和传统化石能源发电升级改造的双重挑战。中国电力科学研究院周孝信院士团队提出了一种融合新能源发电、火电机组碳捕集改造、甲烷/甲醇合成等技术的综合能源生产单元（Integrated Energy Production Unit，简称IEPU）设想，阐述了该设想的典型结构和工作原理，基于简化模型进行了设备容量优化配置，分析了IEPU提升电力系统灵活性的潜在效益，以下是研究的详细内容，欢迎品读。 Integrated energy production unit: An innovative concept and design for energy transition toward low-carbon development 作者：周孝信，赵强，张玉琼，孙立 DOI：10.17775/CSEEJPES.2021.05950 文章链接：https://ieeexplore./document/9617560 1 研究背景 为实现“碳达峰、碳中和”目标，我国能源电力清洁低碳转型任务艰巨，如何科学推进传统煤电升级改造、有效延寿及有序退出，同时促进新能源大规模开发和充分消纳利用，已成为能源转型路径规划和相关战略制定的重要议题。 由于资源禀赋及行业发展历史等原因，我国仍保有大量燃煤火电机组，单纯大规模推广碳捕集及封存技术代价昂贵，若采用简单关停处理方式，又不利于一定时期内能源平稳供应过渡，同时涉及国有资产保值增值、就业等多方面问题，迫切需要有效手段，有序推进存量煤电机组的升级改造，充分发挥其基础性保障和调节作用；另一方面，风光资源的波动性和间歇性，导致新能源发电出力不确定性强，加之机组抗扰动能力和动态调节能力弱，新能源接入比例的提高将给电力系统安全稳定运行带来很大挑战，系统灵活调节资源的需求显著提升。 针对上述矛盾，单纯依靠电网改进或单一能源技术革新难以为逐步构建现代能源体系和新型电力系统提供支撑保障，需要考虑不同行业及技术的创新融合发展，探索设计提高系统灵活性的新型多元化能源资源综合生产模式。 2 论文所解决的问题及意义 为应对上述问题，本文提出一种融合火电机组碳捕集、燃煤机组混烧生物质、可再生能源电解水制氢、甲烷/甲醇合成等技术的设想——综合能源生产单元（Integrated Energy Production Unit, IEPU），既可生产电和各种近绿色燃料，又能以其高灵活调节能力支撑高比例可再生能源电力系统稳定运行，期望能作为火电低碳/无碳转型路径方案的一种选择。 IEPU通过单元内部各设备协同运行及单元与外部电网的灵活互动，实现多类型能源的生产、存储和化工合成等过程耦合，具有以下两个方面的优点：一是以电解制氢装置作为可控负荷，通过与火电、水电等可调机组联合运行，在综合能源生产单元内部各子系统协同优化的同时，实现与电网互动，成为具有高灵活性的虚拟能源生产单元，为高比例新能源电力系统提供灵活性支撑。二是通过二氧化碳与氢气合成生产甲烷、甲醇等便于存储、运输的绿色燃料或化工原料，一方面可规避大规模二氧化碳捕集后压缩及封存的高额成本，结合相应的产品收益模式，有利于火电企业推广应用二氧化碳捕集与利用技术；另一方面，所生产的氢气及合成产品，也可为能源领域化石燃料和原料替代提供一定的来源补充。 3 论文主要内容 1）IEPU基本结构 本文提出的综合能源生产单元包括火电机组（经生物质掺烧改造）、电解槽、可再生能源发电、甲醇/甲烷/氨合成装置、二氧化碳捕集等设备，图1所示为其典型结构。其中，经改造的火电机组作为电能生产设备，一方面为电解制氢、甲烷/甲醇/氨等产品合成、二氧化碳捕集等设备提供电力供给，另一方面，需根据电网调度指令的负荷曲线供电；电解槽在生产氢气的同时，还作为主要可调节负荷，在系统应对短周期（日内）能源电力供需不平衡过程中发挥重要作用。 图1 综合能源生产单元典型结构示意图 2）IEPU系统简化模型及优化问题构建 为开展IEPU的运行特性分析和容量优化配置研究，根据IEPU的关键过程以及各输入输出之间的主要耦合关系和约束条件，初步构建系统简化模型。以包含光伏发电、火电机组、碱性电解槽、甲醇合成、二氧化碳及氢气存储装置的IEPU结构为案例分析对象，模型包含的主要平衡方程和边界条件考虑火电出力约束、光伏发电设备出力约束、碳捕集过程、气体质量平衡、电力供需平衡等几个方面。 考虑经济效益最优，以包含各类产品收益和投入成本的系统净利润为优化目标，以各设备容量和实时功率为决策变量，构造优化问题；IEPU基于已折旧完成进行延寿改造的燃煤发电机组构建，故火电机组投资成本忽略不计。 3）IEPU容量优化配置及运行灵活性分析 针对上述模型及优化问题开展的仿真分析结果显示，综合能源生产单元中各类设备协同优化运行，燃煤发电机组每年捕集二氧化碳约16.7万t，占总碳排放量约20.8%，电解槽容量为164MW，年产氢2.52亿Nm3，用电量10.6亿kWh；光伏发电机组总容量为226MW，年发电量约4.35亿kWh，占电解槽用电量的41%，甲醇合成量约为12万t/年。 在该容量配置下，选取某一典型日进一步开展系统运行特性分析和调度优化仿真，结果显示IEPU比传统火电厂具有范围更大的灵活调节能力：以包含煤电、光伏、电解水制氢制甲醇的方案为例，则其可参与电力系统日调度的出力上限为：火电机组额定功率 光伏发电功率-电解水制氢制甲醇装置功率下限；出力下限为：火电机组最小出力限制-电解水制氢制甲醇装置功率上限。由此可见，若将该系统整体作为一个虚拟发电单元，其灵活性调节范围较传统火电机组显著提高。图2所示为综合能源生产单元灵活性分析示意图。 图2 综合能源生产单元灵活性分析示意图 4 结论与展望 1）本文提出了一种综合能源生产单元设想，通过各类设备集成优化和协同互补运行，可为电力系统稳定运行提供灵活调节能力支撑，其规模化生产便于运输储存的甲烷、甲醇、氨等近绿色/绿色燃料，可成为新型电力系统应对中长周期能源电力供需不平衡的储能介质。 2）本文提出的综合能源生产单元结构示意图仅为IEPU的形式之一，是我国当前仍保有大量燃煤机组的发展阶段下，更具有实践价值的结构。随着新能源渗透率不断提高，IEPU可有不同类型的结构方案：IEPU所需的CO2可由火电厂碳捕集，未来也可从空气中捕集；IEPU可由风光发电与电解水制氢装置、水电厂与电解水制氢装置组成，生产的绿氢与空气中氮气耦合制氨；IEPU可由燃气电厂与风光发电及电解水制氢、储氢耦合组成，未来燃气电厂的燃料将由绿氢提供，成为应对长周期能源不平衡的绿色重要措施。 3）可再生能源制氢和各类IEPU的经济性是制约其发展的关键因素，对此需考虑相关技术进步带来成本的进一步降低，结合实际工程的各种因素，进行详细的经济性分析，并开展灵活调节能力、碳减排等相关效益评估。 1 ————— 引文信息 ————— X. Zhou, Q. Zhao, Y. Zhang and L. Sun, 'Integrated energy production unit: An innovative concept and design for energy transition toward low-carbon development,' in CSEE Journal of Power and Energy Systems, vol. 7, no. 6, pp. 1133-1139, Nov. 2021, doi: 10.17775/CSEEJPES.2021.05950. 英文原文发表在2021年第7卷第6期，欢迎品读！ 作者介绍 周孝信，中国科学院院士，美国国家工程院外籍院士，IEEE Fellow，教授级高级工程师、博士生导师，毕业于清华大学，现任中国电力科学研究院名誉院长，中国电机工程学会理事，电力系统专业委员会名誉主任委员，中国电工技术学会常务理事。长期从事电力系统分析和控制的数学模型和计算方法研究。主持开发了中国第一套“电力系统分析综合程序”（PSASP）大型软件，在电力系统广泛应用。1985年、2008年、2009年三次获得国家科技进步一等奖。2008年获得IEEE PES Nari Hingorani FACTS奖，2009年获何梁何利基金科学与技术进步奖。
赵强，教授级高级工程师，毕业于哈尔滨工业大学，现任中国电力科学研究院技术战略研究中心副主任。长期从事大电网安全稳定分析、电网科技规划、能源战略等研究工作。先后主持或参与国家重点研发计划、国家发改委、国家能源局、国家电网公司等多个科技项目。在特高压电网安全稳定分析，大电网第三道防线领域获省部级奖励多项，发表SCI/EI论文20余篇。
张玉琼，高级工程师，毕业于清华大学，现任中国电力科学研究院技术战略研究中心战略发展研究室副主任。主要从事能源战略、电网科技规划、综合能源系统等方面研究工作，先后参与国家发改委、中国科学院、中国工程院、中国科协、国网公司等下达的科技项目20余项。已发表SCI/EI、核心期刊文章十余篇，授权发明专利2项，参与出版专著1部。
孙立，东南大学能源与环境学院副研究员，毕业于清华大学。长期从事综合能源系统的建模、控制及优化研究，主持国家自然科学基金及省部级基金项目多项，发表SCI论文三十余篇，其中ESI高被引论文两篇，授权发明专利十余项。先后获得江苏省自然科学基金优秀青年基金，中国电机工程学会青托工程、江苏省双创博士、“华英学者”等荣誉称号，兼任国际自动控制联合会（IFAC）电力与能源专业委员会委员，中国动力工程学会青年工作委员会委员，美国控制会议副编辑，及多个主流SCI期刊的客座编辑，中国控制会议IPC委员。 |
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