电转气消纳新能源与碳捕集电厂碳利用的协调优化
周任军;肖钧文;唐夏菲;郑权国;吕佳;曹俊波
【摘 要】电转气技术作为一种新型能源转换和储存方式为可再生能源消纳提供了新的途径,电转气技术生成甲烷所需的CO2可高效经济地取自碳捕集机组的捕集碳量.提出将电转气-碳捕集电厂作为整体系统,建立电转气-碳捕集电厂协调优化模型,以碳成本、燃料成本、弃风成本、电转气成本为目标,以碳捕集率、碳捕集电厂有功出力、电转气功率为决策变量.仿真结果表明,电转气-碳捕集电厂提高了风电消纳能力,减少了碳排放,提升了碳利用水平,降低了电转气运行成本.
【期刊名称】《电力自动化设备》
【年(卷),期】2018(038)007
【总页数】7页(P61-67)
【关键词】电转气;消纳新能源;碳捕集;碳利用;优化运行;成本;模型
【作 者】周任军;肖钧文;唐夏菲;郑权国;吕佳;曹俊波
【作者单位】长沙理工大学湖南省清洁能源与智能电网协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学湖南省清洁能源与智能电网协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学湖南省清洁能源与智能电网协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学湖南省清洁能源与智能电网协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学湖南省清洁能源与智能电网协同创新中心,湖南长沙410114;长沙理工大学湖南省清洁能源与智能电网协同创新中心,湖南长沙410114
【正文语种】中 文
【中图分类】TM761
0 引言
大容量储能或源网荷协调运行是当前解决风电大规模接入及其消纳问题的主要途径[1]。传统储能和新型储能方式各有优势，但仍存在建设周期长、地势要求高、存储容量小、经济成本高、难以大规模和长时间有效存储能量等不足[2]。
电转气P2G(Power-to-Gas)技术的能源转换和时空平移特性为新能源消纳和负荷削峰填谷提供了有效途径。P2G技术指利用电能将水电解成氢气后与CO2催化反应生成甲烷[3]。P2G作为连接电力系统和天然气系统的单元，兼具电力系统负荷和天然气气源2种功能，其响应速度快，调度特性灵活，可广泛应用于电力系统削峰填谷、消纳弃风、提供储能等辅助服务[4]。德国已经将P2G技术列为利用可再生能源的一种重要储能技术，并应用于其能源转化计划。
当前，P2G技术与新能源消纳、电力系统运行的相关研究主要集中在技术特性、运营模式、协同调度等方面[5-6]。但作为P2G生产原料的CO2来源这一关键问题，暂未得到学界关注。而碳捕集电厂CCPP(Carbon Capture Power Plant)可为其提供良好的供应渠道。当前碳捕集与封存CCS(Carbon Capture and Storage)技术在捕集阶段耗能较高，矿石碳化、地质封存、深海封存等封存途径亦需额外耗能，使捕集技术未能广泛利用和推广。为了降低碳捕集能耗，文献[7]选取了碳捕集系统最佳运行参数；为了有效刺激发电商参与碳捕集，文献[8]建立了考虑售电损失成本的碳排放权交易模型，降低了由捕集能耗所产生的售电利润损失。捕集能耗使机组并网功率减少，但其调节可促进风电功率消纳，相当于碳捕集能耗利用了风电功率。当前研究表明，大规模风电功率可用于水解制氢[9]，因此，CCS
技术和P2G技术结合，既可消纳大容量风电功率，又能开发碳的新型再利用前景。
而2种技术结合的关键，是将P2G设备与CCPP作为整体后，提高碳利用，实现节能减排，从而降低各方成本，推动技术应用。因此，研究碳捕集后的碳利用和P2G中的新能源消纳，建立其协调优化模型，以碳捕集率、CCPP有功出力和P2G功率为决策变量，以碳成本、燃料成本、弃风成本、P2G成本等为目标函数。相比于单独P2G或CCPP，电转气-碳捕集电厂(P2G-CCPP)系统可降低碳排放与碳封存量，减少弃风，降低P2G成本。
1 P2G-CCPP系统框架
1.1 P2G及其储能技术
P2G技术由德国弗劳恩霍夫风能及能源系统技术研究所、德国巴符州太阳能和氢研究中心合作提出[10]。其分为2个阶段，第一阶段如式(1)所示，将风电场弃风电力通过电解水产生氢气，该阶段简单易行，其能量转换效率可达75%～85%，现有的碱性电解水制氢技术非常成熟，已经大规模应用。
(1)
第二阶段为甲烷化，如式(2)所示。该阶段是指在催化剂的作用下将电解水生成的氢气和CO2反应生成甲烷和水。这个过程能量转换效率约为75%～80%[11]。
(2)
P2G技术不需要额外的储能设备，只需储气罐，与传统的飞轮储能、电池储能、压缩空气储能和抽水蓄能等储能技术及储能潜力比较如图1所示。P2G技术在储存时间和容量两方面均优于其他4种储能技术。
图1 储能技术比较Fig.1 Comparison among energy storage technologies
1.2 CCS技术及CCPP
CCS技术包括捕集与封存2个环节，在传统火力发电厂中引入CCS技术，则成为CCPP，将大量CO2从电厂排放的烟气中分离出来，经一系列处理流程后形成高纯度的CO2，并通过矿石碳化、地质封存、深海封存等途径实现与大气隔绝，从而显著降低火电厂的碳排放强度[12]。
CCPP主要分为3类：燃烧后碳捕集、燃烧前碳捕集与富氧燃烧碳捕集。其中，燃烧后碳捕集技术的应用较为广泛，技术成熟度、商业化程度较高，如图2所示。CCPP将CO2捕集到解析塔之后，一部分提供给P2G碳利用，通过搭建CO2输送管道传输CO2至P2G设备，由于输送距离较近，此过程CO2及功率损耗可以忽略；另一部分流入CO2压缩器进行封存处理。文中CCPP均默认采用燃烧后碳捕集技术。
图2 CCPP吸收技术的CO2分离原理Fig.2 CO2 paration principle for CCPP absorption technology
1.3 P2G-CCPP系统框架
现有关于P2G的文献中没有针对CO2的来源进行研究，而碳捕集的CO2作为P2G的原料，既高效又环保。因此考虑碳利用，在CCPP中引入P2G技术，建立P2G-CCPP系统，框架如图3所示。图中，PG为CCPP发电功率；Q1为碳捕集量；Q2为碳排放量；PCO2为碳捕集技术所消耗的捕集能耗，称为碳捕集消耗功率[13]，由CCPP和风电场弃风电力共同提供；PW为风电场实际出力；PP2G为P2G消耗功率；Pe为负荷功率；QCO2为捕集到的CO2送入P2G设备的碳量，Q1-QCO2表示封存碳量。CCPP将捕集到的部分CO2提供给P2
G设备，利用P2G消纳风电场弃风功率。
图3 P2G-CCPP系统框架Fig.3 P2G-CCPP system framework
2 考虑碳利用的P2G-CCPP系统模型
2.1 P2G-CCPP系统捕集能耗与碳利用量
a. 碳捕集系统能耗与运行能耗。
碳捕集系统的能耗主要分为2类：一类为系统基本能耗主要是由于碳捕集系统的引入使常规电厂的结构和运行工况发生变化，而引起发电效率损失所带来的能耗，该部分能耗与碳捕集系统的运行状态无关，在电厂运行中可认为恒定不变；另一类为系统运行能耗主要来自碳捕集系统对CO2进行吸附、分解、压缩等过程中的能量损耗，该部分能耗与碳捕集系统的运行状态相关[13]。
以单时段功率表达运行时段t的碳捕集系统能耗PCO2,t为：
(3)
t时段系统运行能耗为：
(4)
该能耗所捕集的CO2量Q1,t为：
(5)
其中，eG为单位碳排放强度；λGE为捕集单位CO2所消耗的电功率，可视为常数；ηt为t时段碳捕集率；PGi,t为P2G-CCPP系统第i台火电机组在t时段的发电功率；NG为系统火电机组的台数。
b. CO2利用量与甲烷合成量。
式(5)所捕集CO2中，有部分用于P2G，实现碳的再利用，该部分为利用量QCO2。由式(2)可知，CO2和甲烷的体积相等，因此，一时段内：
QCO2=ρCO2VCH4
(6)
其中， ρCO2为CO2的密度；VCH4为甲烷的体积，计算公式如式(7)所示。
VCH4=3.6φP2G,tPP2G,t/Hg
(7)
其中，φP2G,t为P2G设备的转换效率；Hg为天然气热值，取39MJ/m3；PP2G,t为P2G设备t时段合成甲烷所需能量，该功率可取自电网，更应采用电网弃风时段功率，即消纳风电。
2.2 P2G碳原料捕集及封存降耗的碳成本
2.2.1 碳排放权成本
在碳交易市场中，对企业设置碳排放权配额，气体排放实行总量管控。对超出配额的排放设立惩罚，则碳排放权成本[8]为：
(8)
其中， f11为碳排放权成本；St为碳排放权在优化日t时段的交易价格；T为调度周期，取24h；E为分配的碳排放权配额，即机组可排放碳额度[12]。机组调节碳捕集率ηt，控制碳排放量与碳捕集量，实现机组优化运行。
2.2.2 碳捕集成本与碳利用后的封存成本
a. 碳捕集成本函数。
由于碳捕集系统需要大量捕集能耗，若未安装碳捕集系统，则该部分能量可以出售获利，因此安装碳捕集系统后损失的售电利益即为碳捕集成本：
(9)
其中， f12为碳捕集成本；Ce,t为t时段的上网电价。
b. 碳利用后的封存成本函数。
现有文献对CCS技术的研究集中在碳捕集阶段，对捕集之后的封存研究较少，通过P2G实现捕集碳量再利用，其封存成本将降低。碳捕集系统捕集CO2后通过一系列途径封存CO2，
从而减少CO2向大气中的排放，减缓大气污染和温室效应，但封存技术所带来的长距离运输成本高昂，且存在封存泄漏爆炸及对生物环境产生危害的风险，因此考虑将捕集到的CO2中一部分用于P2G设备的生产，实现CO2的回收利用，剩余部分采用上述渠道封存，减少封存量。未来随着P2G技术的不断进步，CO2的回收利用量将越来越多，碳利用后的封存成本将逐步下降，亦可避免封存的风险问题。碳利用后的封存成本表示为：
(10)
其中， f13为碳封存成本；Cle为碳封存成本系数；Q1,t为t时段的碳捕集量；QCO2,t为t时段供给P2G设备的CO2利用量。
2.2.3 碳成本
系统在整个调度周期内产生的碳成本可表示为：
f1=f11+f12+f13=
Ce,tPCO2,t+Cle(Q1,t-QCO2,t)
(11)
2.3 考虑碳利用的P2G-CCPP系统建模
2.3.1 目标函数
考虑碳利用的P2G-CCPP系统的碳成本、燃料成本、弃风成本、P2G成本，建立P2G-CCPP系统综合成本最小模型，目标函数为：
(12)
其中，F为综合成本；f2(PGi,t)为P2G-CCPP系统燃料成本，采用机组成本耗费曲线表示[14]；CP2G为P2G设备的运行成本系数，包括人员管理、机组启停、技术成本等，可用功率运行成本[16]定量描述；PP2G,t为t时段P2G运行功率； f3为弃风成本，如式(13)所示。
