国网浙江经研院、清华四川能源互联网研究院：“双碳”背景下区域电力-氢能系统协同优化规划

“双碳”背景下区域电力 - 氢能系统协同优化规划

文凡¹，陈彦佐¹，车佳辰¹，徐华池^2，林瑞霄^2*

（1. 国网浙江省电力有限公司经济技术研究院；2. 清华四川能源互联网研究院）

文章导读

氢能既可以在源端支撑可再生能源规模化开发，又能在负荷端实现钢铁、水泥、石油化工等难脱碳行业的深度脱碳，能在共同支撑双碳目标实现的过程中，与电力高效互补协同，实现1+1>2的效果。电力系统和氢能系统均非常复杂，两个系统之间的互动更增加了复杂度。因此，将电力和氢能系统作为整体进行协同规划，对于未来电力-氢能系统的清洁低碳、安全高效运行有重要意义，但目前相关研究较为缺乏。本文通过建立电力-氢能系统的协同优化规划模型，并应用模型到浙江省，为浙江省及其他区域的电-氢系统“双碳”路径规划提供参考方案。

文章亮点

1）建立了一种以小时为时间颗粒度的区域电力-氢能系统协同优化规划模型，并应用模型得到了浙江省电力-氢能系统从当下到碳中和过程中装机和运行方式的优化发展路径；

2）提出了“双碳”背景下浙江省大规模推广氢能应用的临界时间点为2040年左右；

3）提出了未来氢能对电力系统提供灵活性的主要路径为“可再生能源发电高峰时制氢——大规模长周期储氢——应用于非电力行业”。

摘要

电力系统脱碳是中国实现“双碳”目标的关键，而氢能可与电力高效互补协同，共同支撑“双碳”目标，这两个复杂系统的协同规划有重要意义。研究建立了一种以小时为时间颗粒度的区域电力-氢能系统协同优化规划模型，并应用模型对浙江省电力-氢能系统迈向零碳的协同发展路径进行了优化规划，得到了电力-氢能系统的协同方式，对浙江省及其他区域的“双碳”路径规划有参考意义。优化结果表明，从系统减碳成本优化的角度建议浙江省2040年之前重点进行电力系统脱碳，2040年后进行电力-氢能系统的协同脱碳，且氢能系统主要通过制氢-储氢-应用于非电力行业为电力系统提供灵活性，主要发挥长周期调节作用。

主要内容

模型典型架构以浙江省资源禀赋及其特点为例搭建，不同区域不同时期的电力-氢能系统各不相同，可以根据需要灵活调整模型内包含的元素及其输入输出关系。模型以系统内总成本最低为优化目标，并以碳价的方式考虑了碳排放带来的成本。模型以小时为时间颗粒度，以逐时电力平衡、氢量平衡、碳排放总量约束为主要约束，求解规划区域内未来不同年份系统成本最优的容量配置和运行方式。

⬆ 图1 区域电力-氢能系统协同优化规划模型典型架构

到2060年，光伏、海上风电、核电逐步发展为浙江省的装机主力，可再生能源装机比例达到约84%，包含核电在内的清洁能源装机比例达到100%。

⬆ 图2 “双碳”背景下浙江省电源装机的优化结果

随着可再生能源装机比例的提高，储能和氢发电的装机容量以及与电源装机容量之比均逐年提高。分技术看，抽水蓄能电站始终是浙江省储能设施中的主力，且还需要大力发展；电化学储能的装机容量虽然有所增加，但所需总量相对较小；氢发电的装机到2040年后需要有一定的发展。

⬆ 图3 “双碳”背景下浙江省储能和氢发电装机的优化结果

浙江省在2040年之后开始规模化推广电解水制氢及绿氢应用。用于发电的氢占比不高，到2050年最高上升到20%左右，而后随着氢在其他非电力领域应用量的增加，用于发电的氢量占比下降到2%以下。这体现了未来氢能系统与电力系统协同的一种可能较优的方式，即氢能系统主要通过电解水制氢-储氢-应用于非电力行业这一路径为电力系统提供灵活性。此外，从减碳的视角看，绿氢将优先应用于道路货运、化工、钢铁行业，而后再拓展应用到水泥、航运、航空。

⬆ 图4 “双碳”背景下绿氢在浙江省不同行业应用的优化结果

2040年前浙江省主要进行电力领域的脱碳；2040年后涉氢减碳领域开始通过绿氢应用脱碳，与电力领域脱碳产生协同效应，但电力领域脱碳速度仍然更快；2050年后主要进行水泥、航运、航空等难脱碳领域的深度减碳。

⬆ 图5 模型边界内的浙江省碳排放下降路径优化

浙江省高比例可再生能源及零碳电力系统的运行呈现出如下特点：基荷主要由电力输入和核电提供，可再生能源发电的峰值用于电解水制氢，可再生能源发电的尖峰部分也由抽蓄及电化学储能吸收，在可再生能源发电不足时由抽蓄、电化学储能及燃氢轮机发电作为补充。

⬆ 图6 2060年7月第1周浙江省电力系统运行优化结果

本文引文信息

文凡，陈彦佐，车佳辰，徐华池，林瑞霄. “双碳”背景下区域电力-氢能系统协同优化规划[J]. 全球能源互联网，2022，5(4)：319-330.

WEN Fan, CHEN Yanzuo, CHE Jiachen, XU Huachi, LIN Ruixiao. Collaborative Optimal Planning of Regional Power-hydrogen System Towards Carbon Peak and Neutrality [J]. Journal of Global Energy Interconnection, 2022, 5(4): 319-330 (in Chinese).

研究团队

国网浙江省电力有限公司经济技术研究院（简称国网浙江经研院）是国网浙江省电力有限公司下属的专业研究机构，在电网规划、能源经济、战略研究、政策分析、投资评价、项目评审等方面提供全方位电网业务咨询服务。近年来，国网浙江经研院积极投身“碳达峰、碳中和”时代主题，聚焦新型电力系统演进趋势，在行业内外影响力不断扩大。

国网浙江经研院战略与发展研究团队，是国家电网系统内首支支撑开展省级电网公司战略研究的专业队伍。近三年，团队围绕战略规划体系、企业运营分析、电力市场建设、绿色电价机制、碳资产管理等重点领域，开展科技项目24项，发表科技论文100余篇，积极发挥企业、政府、社会的“智囊”“智库”作用，服务支撑浙江省新型电力系统示范区建设。

清华四川能源互联网研究院成立于2016年3月，由清华大学与四川省共同创建。研究院依托清华大学电机系、能动学院、水土学院、软件学院、汽车系等，致力于践行习近平总书记提出的能源“四个革命、一个合作”战略思想，推动构建清洁低碳、安全高效的能源体系，积极开展能源互联网的前沿研究和产业培育。研究院累计承担国家级科技项目10余项，荣获省部级科技奖励10余项，申请知识产权400余件，打造20余项关键核心技术和50余件创新产品，成功培养科技型创新企业10余家。

清华四川能源互联网研究院绿氢中心，定位为研究院氢能方向的产业智库、协同创新平台、第三方标准及检测平台和合作交流中心，近5年来承担氢能相关纵横向科研、产业规划、战略咨询等项目20余项，掌握固体氧化物燃料电池、离网电源、小型热电联产系统、小型高温电解水制氢系统、氢能与能源互联网耦合建模仿真工具等核心技术，申请专利51件（其中发明专利43件），发表期刊论文20余篇，起草行业标准4项。

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