中国储能网讯：
1. 含氢耦合系统规划与运行方面
在含氢耦合系统规划与运行等研究方面，本专栏刊出国网四川省电力公司经济技术研究院杨宇玄等发表的《考虑碳捕集和气网混氢的气电耦合系统低碳经济调度》、国网上海市电力公司窦真兰等发表的《基于可逆固体氧化物电池的风光氢综合能源系统容量规划》2篇文章，主要内容如下。
1）双碳目标背景下，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。氢能作为绿色能源，它在能源系统的灵活应用成为国内外提高可再生能源消纳比例，控制碳排放的发展重点。其中电制氢和气网混氢作为高效转化能源技术，在综合能源系统减碳方面得到广泛应用。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，引入碳减排机制也是当前的研究重点。因此，《考虑碳捕集和气网混氢的气电耦合系统低碳经济调度》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。该模型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，通过调节奖励系数、调节碳交易基础价格的测试，验证了上述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。当碳交易基础价格从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。
2）风光氢综合能源系统的规划与运行研究近年来受到广泛关注，常用的氢电转化技术包括碱性电解水制氢技术、质子交换膜技术和可逆固体氧化物技术。目前，关于碱性电解水制氢技术、质子交换膜技术的研究已经非常成熟，而针对可逆固体氧化物技术的研究仅简单选取其作为系统氢电转换设备，没有考虑其运行特性对系统容量规划的影响。因此，《基于可逆固体氧化物电池的风光氢综合能源系统容量规划》在平抑风电、光伏以及风光互补功率波动的前提下，考虑环境效益和投资时间价值，以年投资成本、弃电缺电量最小化为目标，对基于可逆固体氧化物技术的风光氢综合能源系统开展容量规划研究，采用粒子群优化算法求解各设备最优的配置规模。同时，对氢气价格、可逆固体氧化物成本等不确定因素进行灵敏度分析。优化结果表明，该方法能够获得合理的容量配置方案，提升系统源荷调节的灵活性。氢气价格和可逆固体氧化物成本对风光氢综合能源系统容量规划具有显著的影响。当氢气价格低于30元/kg、可逆固体氧化物成本小于2万元/kW时，有利于系统在较小的风光装机规模下获得灵活的源荷调节能力。
2. 氢需求量预测研究
在氢需求量预测方面，本专栏刊出大连理工大学袁铁江等发表的《基于系统动力学的氢需求量中长期预测》1篇文章，主要内容如下。
“双碳”目标极大地改变了能源消费行业的发展，氢能清洁高效、存储模式丰富，其消费潜力将不断提高，在综合能源系统中将发挥重大作用。氢需求预测是合理规划含氢能源系统的重要环节，但目前相关研究主要集中在氢燃料汽车用氢需求的短期预测，很少考虑政策、经济发展等外部因素的影响。氢能作为清洁、高效、存储形式灵活的能源，将在未来新一代综合能源系统中发挥重大作用，中长期氢负荷预测对于能源系统的规划和设计具有重要意义。在此背景下，《基于系统动力学的氢需求量中长期预测》基于系统动力学方法建立了省级氢需求中长期预测模型。首先，将氢能需求分为工业、供热和交通3大领域，考虑各子系统内部因素的相互作用以及经济发展、政策支持等外部因素的影响，分析因果关系，构建系统预测方程；其次，设定系统参数，采用最小二乘法方程回归得到方程常数，基于甘肃省发展规划利用灰色模型设定表函数参数，并将模拟结果与历史数据进行对比，结果表明模型误差较小，适用于该省氢需求预测；最后，利用所建立的系统动力学模型对该省的氢需求量进行了预测。预计甘肃省2025年工业需氢202640t，2030年达到222088t；交通子系统作为新兴用氢产业，预计2025年需氢97411t，2030年达141629t；城市供热子系统氢需求量随着掺氢比的增加而提高，预计2025年城市供热需氢68924t，2030年达121284t。
3. 氢储能容量优化配置
本专栏刊出国网福建省电力有限公司经济技术研究院胡臻达等发表的《基于改进猫群算法的氢储能容量优化配置》1篇文章，主要内容如下。
电力系统以可再生能源制氢为主要特征，以储能为辅助的联合能源系统是未来能源系统发展建设的重要方向。其中，风-氢混合系统是电力系统中一种重要的电网结构形式。《基于改进猫群算法的氢储能容量优化配置》以氢储能系统为基础，构建了风力发电和氢储能系统为主的混合微电网系统，并对氢储能系统中的电解槽、燃料电池和储氢罐的容量进行了优化配置。首先，综合考虑微电网的经济成本、供电可靠性和弃风率3个指标，构建了氢储能系统的容量优化配置模型。在算例中，通过选取不同的权重系数，在分别侧重经济性、弃风率和缺电率的目标函数中，确定了氢储能系统的最优容量配置方案。其次，提出了动态权重的改进猫群算法，对氢储能系统的容量优化模型进行求解，从求解结果可以看出，相比于猫群算法和粒子群算法，采用动态权重的改进猫群算法具有一定的优越性。
三、相关研究延伸
1. 氢负荷预测
氢本质清洁、存在形式多样、转化灵活，被认为是未来能源的终极形式之一[1-4]，构建以氢为媒介打通可再生能源与其他能源领域形成新一代能源系统已引起能源政策制定者和系统设计者的广泛关注[5-7]。氢负荷预测对于探索并建立适用于新一代能源规划体系，打破原有能源系统单独规划和独立运行的既有模式，具有重要意义。目前国内外学者已在氢负荷预测等方面开展了部分研究工作。哈尔滨工业大学的马涛[8]基于相对经济理论与系统动力学，提出包含国内生产总值、能源消费强度与氢能发展水平变量的氢需求量函数式，预测了不同经济发展速度背景下中国各产业的氢需求量。瓦尔拉格大学的Soumia Rahmouni[9]提出包含居住人口、人均汽车拥有量、氢燃料汽车渗透率与氢汽车年平均里程等变量的函数式作为预测依据，计算该地区交通领域氢气年需求量。研究表明能源需求预测受多重因素影响，且各影响因素具有相关性，按其应用场景划分，再分别讨论各场景下影响预测的主要因素，能降低预测难度。华北电力大学的彭生江团队[10]按制氢送端到用氢受端的物理距离划分为远距离、中距离和短距离3种氢能需求场景。负荷预测模型主要有非线性智能模型、统计分析模型和灰色预测模型3类，其中，非线性智能模型主要采用神经网络与支持向量机等方法预测[11-13]，数据依赖性强；统计分析/多元线性/非线性回归/灰色预测模型常用于中长期负荷预测[14-16]。目前，氢负荷预测相关研究侧重于根据经济发展等指标估算负荷侧氢能需求量，未考虑氢能来源的清洁性；同时，在现有能源系统背景下建立预测模型，忽略了能源系统结构形态改变对氢负荷变化规律的影响。为化解可再生能源发展瓶颈与化石能源清洁高效利用的矛盾，大连理工大学的袁铁江团队最近提出了新能源电制-储氢耦合碳一化工循环的统一能源系统及氢负荷预测框架及中长期预测方法，从负荷侧宏观的讨论了统一能源系统的节能减排潜力，为未来能源系统规划提供了方向和依据。在未来的工作中可进一步探究统一能源系统源–网–荷的统一规划理论、各应用场景间相互影响关系以及统一能源系统运行的商业模式。
2. 基于可逆固体氧化物电池的电氢耦合系统
电转气技术可以将电能转化为氢气或甲烷，提高了系统的灵活性，是解决新能源消纳问题的重要手段。电转氢(power to hydrogen，P2H)相比于电转甲烷能量转化过程少、效率高，同时氢能是一种清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，可以广泛应用于交通运输、工业和建筑等领域，更能促进能源系统大规模深度脱碳[17]。电解水制氢技术主要包括可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide battery，RSOC)电解制氢、碱性电解(alkaline water electrolysis，AWE)制氢以及质子交换膜电解(proton exchange membrane electrolysis，PEME)制氢[18]。AWE和PEME属于低温电解技术，是单向的P2H装置。这两种技术限制了能源的流向，不足以充分利用电氢能源的互补特性实现系统效率的有效提升。
可逆固体氧化物电池运行于电解模式的电制氢属于高温电解技术。它是一种双向的P2H装置，可在固体氧化物电解池和固体氧化物燃料电池2种模式之间进行灵活可逆操作，具有广阔的发展空间,引起了不少学者的关注[19-22]。都灵理工大学的Giulio Buffo[19]基于RSOC对发电厂的电氢能源存储进行建模，在满足当地公共交通和电力生产的同时实现了碳排放量的显著降低。谢菲尔德大学的Timothy Hutty[20]针对基于RSOC建立的电氢网络，设计动态编程优化电氢调度，进而降低电网的投资成本，验证了RSOC在电氢网络调度中的实用性。
一方面，考虑到加氢站和充电站分别单独规划会造成多余的土地资源占用以及通过电氢能源互动提升能源系统的灵活性、经济性，东南大学的高赐威教授团队[21]基于可逆固体氧化物电池的电氢一体化能源站设想，证明了RSOC在提高风光消纳方面的优越性。电氢一体化能源站可以同时服务于电动汽车充换电和燃料电池汽车加氢，即依托现有的充电站，配备可逆固体氧化物电池，实现电氢双向互动。电氢一体化能源站主要由RSOC、充电设施、加氢机以及储氢库构成，由于RSOC的高效性、可逆性，它是一种拥有灵活商业模式的分布式能源站，其商业模式主要如下：面向交通网作为电动汽车–氢燃料汽车的能量供应商：这是电氢一体化能源站最基本的商业模式，其不仅向电动汽车提供充换电服务，也为氢燃料汽车提供加氢服务。电动汽车的充电行为和氢燃料汽车的加氢行为均具有一定的不确定性，RSOC运行的灵活性为应对这种不确定性提供了可能。在电动汽车充电高峰期，RSOC可通过固体氧化物燃料电池将储存的氢转换为电能；在氢燃料汽车加氢高峰期，RSOC可通过“固体氧化物电解池实时产氢+储氢罐供氢”的方式满足氢能需求。面向高比例可再生能源电网参与系统需求响应：在高比例可再生能源电力系统中，为应对可再生能源发电的不确定性，电氢能源站可以通过RSOC参与电力系统需求响应。在成熟的电力市场还可进行电价套利，提升经济效益。
另一方面，目前针对高比例新能源电力系统中容量规划和调度运营的研究大多独立，考虑到RSOC对电氢互转的帮助，有必要构建以电氢负荷为主要需求的基于RSOC的高比例新能源电氢耦合系统，实现高渗透率的同时，优化系统的规划成本和运营成本。同时，考虑到实现双碳目标的长周期性，电氢负荷在系统全生命周期运营过程中的增长对系统规划-运营的影响应当得到讨论。华中科技大学的李远征团队[22]以微电网为研究对象，设计了基于可逆固体氧化物电池的考虑源荷不确定性的电氢耦合微电网全生命周期规划-运营优化模型及其求解算法。结果表明，考虑负荷增长、季节变化以及各种极端场景的影响，RSOC均能促进实现新能源的柔性调度，对微电网内部供需规模的各种变化都有较好的自适应及调解能力。一方面始终保持新能源的高比例渗透率，一方面稳定了电氢耦合微电网的电氢供应平衡。虽然针对RSOC以及储氢罐的容量规划，其扩容可增强RSOC两种工作模式的转换频率，强力促进新能源的消纳量，但仍然受到风光产电设备容量的约束，因此对其容量规划应保持理性。
显然，集成RSOC和储氢库的规划-运营可以作为实现双碳目标的有效手段。要实现基于RSOC的电氢能源系统建设，未来需要解决以下关键技术：1）RSOC寿命短、扩展难、成本高的问题待攻克：研发具有高催化性能且稳定的阴阳极材料，提升电池密封和连接技术；2）氢能应用安全性技术：提升氢储运容器的密封性、耐久性，同时建立高标准的氢安全监测及预警机制。针对电氢能源站规划，未来还可以从安全性、网络阻塞等角度作进一步的探讨与研究；而针对电氢耦合系统全生命周期内的规划运营，考虑到高比例新能源对电力系统容量规划和调度运营带来的巨大挑战以及电氢能源需求量的持续增长对电力系统的影响，还可以从降低各设备尤其是RSOC成本、提高系统稳定性等方面进一步展开工作。
