不同階梯式碳交易機制的含電制氫綜合能源系統規劃

王方琪, 李健強, 宋祎波, 湯 波, 魏 強, 尹子航

(1.上海電力大學, 上海 200090; 2.國網浙江省電力有限公司景寧縣供電公司, 浙江 麗水 323000;3.國網上海市電力公司市北供電公司, 上海 200072; 4.國家能源集團物資有限公司山東分公司, 山東 濟南 250014; 5.University of Tasmania, Hobart 7001)

在全球環境問題日益凸顯的背景下,節能減排成為世界各國共識,我國提出“30·60”的“雙碳”發展目標[1]。在“雙碳”目標下,能源行業正逐步向清潔低碳結構轉型。含電制氫綜合能源系統是將冷、熱、電、氣等子系統組合起來的系統[2-4]。世界范圍內具有代表性的綜合能源項目之一是德國的E-Energy項目。該項目選定了6個城市進行試點,側重于能源系統和信息系統的集成,通過實時的數據共享,實現能量的梯級利用,提高了能源利用率。如何建設含電制氫綜合能源系統,是助力我國實現“30·60”的雙碳目標的有效途徑。其中低碳設備的合理配置可以在保證經濟性的同時降低碳排放量。

目前已有學者針對含電制氫綜合能源系統規劃問題進行研究。文獻[5]提出了一種考慮風光利用率和含氫能流的多能流綜合能源系統規劃方法,對比分析了含氫能流和含蓄電池的綜合能源系統的新能源消納能力及經濟性,結果表明含氫能流綜合能源系統性能更好。文獻[6]提出了考慮儲氫物理特性和氫能多模式利用的區域綜合能源系統中長期優化運行方法,通過仿真結果表明采用氫能多模式利用可有效應對季節性供需不平衡問題,提高了系統運行的經濟性和新能源的消納水平。文獻[7]提出一種考慮電熱柔性負荷及氫能精細化建模的含氫綜合能源低碳運行方法,具體研究了氫能利用各環節所涉及能源設備的能源特性,進行氫能利用精細化建模,仿真結果表明精細化建模比線性化建模具有更好的經濟性和低碳性。上述研究中將氫能流引入綜合能源系統,有效實現了系統的低碳經濟運行。

碳交易機制是減少碳排放量并兼顧經濟性的有效手段。政府下發給企業一定的免費碳配額,當企業的碳排放超標時,需要去市場上購買碳配額。目前上海已經開始試行碳交易市場。上海市生態環境局發布了《上海市2021年碳排放配額分配方案》,對所有納入碳交易配額管理的單位發放碳排放配額。碳交易機制已經逐步成為引導綜合能源系統降低碳排放的重要手段之一[8-10]。文獻[11]提出了一種基于階梯式碳交易的園區綜合能源系統多階段規劃方法,研究了階梯式碳交易的區間長度對碳排放量的影響。文獻[12]考慮了電轉氣設備和光伏設備的全壽命周期碳排放,提出了一種計及綜合能源系統全壽命周期碳排放和碳交易機制的電轉氣設備和光伏容量聯合配置方法。

在上述研究的基礎上,本文設計了一種新的碳交易機制,將碳超額率引入階梯式碳交易模型,構建了計及碳超額率的階梯式碳交易模型。首先,構造以年運行成本最小和碳排放量最低為目標函數的含電制氫綜合能源系統規劃模型;然后,分別對碳超額量和碳超額率兩種階梯式碳交易機制下的含電制氫綜合能源系統規劃方案進行對比研究;最后,通過不同情景下的案例對比驗證計及碳交易率的階梯式碳交易機制模型的優越性。

1 含電制氫綜合能源系統模型

含電制氫綜合能源系統內部有許多靈活性的設備,通過調整設備的出力,可以達到低碳運行的目的。

含電制氫綜合能源系統結構如圖1所示。主要由電力子系統、氫氣子系統、燃氣子系統組成。其中電力子系統主要由風機、光伏系統、電鍋爐、電制冷機組成;氫氣子系統主要由電制氫裝置、儲氫罐及燃料電池組成;燃氣子系統主要由微燃機、燃氣輪機、溴化鋰制冷機、儲熱罐組成。

圖1 含電制氫綜合能源系統結構

2 階梯式碳交易機制

2.1 碳排放配額

在碳交易機制下,政府分配的碳排放額與實際碳排放量存在差異,碳排放量是一種可以進行自由交易的商品,而在電力行業,目前我國主要采用無償的方式進行初始碳排放額的分配。本文采用的行業基準線法來確認系統的碳排放配額。碳排放源有外購電、微燃機以及燃氣鍋爐,其碳排放配額和實際碳排放量公式分別為

Etotal=EEN+EMT+EGB

(1)

(2)

(3)

(4)

Etotal,a=EEN,a+EMT,a+EGB,a

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:Etotal、EEN、EMT、EGB——綜合能源系統、外購電、微燃機、燃氣鍋爐的碳排放配額量;

ηe——供能設備單位電功率的碳排放權配額,取0.728 t/MWh;

T——規劃總時間數,取8 760 h;

λ——外購電中的煤發電所占的比例,取0.8;

PEN,t——t時段外購電量;

ηh——供能設備單位熱功率的碳排放權配額,取0.102 t/GJ;

ηe,h——電、熱功率折算參數,取6 MJ/kWh;

PMT,t——t時段微燃機輸出的電功率;

HMT,t、HGB,t——t時段微燃機、燃氣鍋爐的輸出熱功率;

Etotal,a、EEN,a、EMT,a、EGB,a——綜合能源系統、外購電、微燃機、燃氣鍋爐的實際碳排放量;

ηe,a——供能設備單位電功率的實際碳排放系數,取1.08 t/MWh;

ηh,a——供能設備單位熱功率的實際碳排放系數,取0.065 t/GJ。

2.2 階梯式碳交易模型

階梯式碳交易以一定量的碳排放量為區間長度,劃分多個交易區間,隨著超額碳排放量的增加,交易區間的碳交易價格也會隨之升高。階梯式碳交易成本計算模型如下

(9)

式中:CCO2——階梯式碳交易成本;cCO2——碳交易單價;l——碳排放區間長度;α——價格增長的幅度。

階梯式碳交易模型的碳交易單價f(Etotal,a-Etotal)和碳超額量(Etotal,a-Etotal)關系如圖2所示。

圖2 碳交易價格和碳超額量關系

當有多個不同規模的含電制氫綜合能源系統使用同一個階梯式碳交易機制時,如何確定碳交易區間長度就成為了問題。如果按照碳排放規模最大的綜合能源系統去確認碳交易區間長度,那確認后的碳交易區間長度對較小規模的綜合能源系統來說會太長。碳交易區間長度過長時,階梯式碳交易機制對碳排放的約束力大幅度下降。

2.3 計及碳超額率的階梯式碳交易模型

階梯式碳交易模型的碳排放區間長度是按照超出碳排放配額的碳排放量來劃分的。這樣就無法清晰看出實際碳排放量超過碳配額的程度,以及適用范圍較窄。為了使得階梯式碳交易模型更合理,本文提出了一種碳排放程度衡量指標,將實際碳排放量與碳排放配額的比例命名為碳超額率,結合碳交易理論構建計及碳超額率的階梯式碳交易模型。

計及碳超額率的階梯式碳交易機制按照碳超額率劃分為若干個區間,各區間對應不同的碳交易價格?；谠撎冀灰讬C制,當碳超額率大于1時,綜合能源系統需要支付費用購買碳排放權,碳超額率的值越大,對應區間的碳排放權購買單價越高。

碳超額率ξ公式如下:

(10)

階梯式碳交易成本計算模型如下:

(11)

式中:CCO2,d——計及碳超額率的階梯式碳交易成本。

計及碳超額率的階梯式碳交易模型的碳交易單價f(ξ)和碳超額率ξ關系如圖3所示。

圖3 碳交易價格和碳超額率關系

3 含電制氫綜合能源系統低碳規劃模型

3.1 目標函數

本文以含電制氫綜合能源系統為研究對象,構造以系統投資運行成本最小為內層模型、碳排放量最低為外層模型的目標函數。具體描述如下:

式中:Ctotal、Cinv、Cop、CEN、Cfuel——年費用、設備等年值投資費用、運行維護費用、購電費用、購氣費用;

N——設備種類;

ci——第i類設備的單位容量初始投資成本;

ωi——各類設備的配置容量;

r0——貼現率,取6.7%;

Yi——第i類設備的全壽命周期;

cop,i——第i類設備的單位功率維護成本;

Pi,t——第i類設備在t時刻的出力;

Δt——功率維持不變時的時間變化量;

eEN,t——t時刻大電網的購電價格;

PEN,t——外購電在t時刻的出力;

GGB,t、GMT,t——t時段燃氣鍋爐、微燃機的燃氣消耗量;

Cgas——天然氣價格。

3.2 約束條件

3.2.1 容量約束條件

容量約束條件主要考慮保證系統正常運行所需的最低容量以及設備的占地面積。

ωi,min≤ωi≤ωi,maxi∈I

(17)

式中:ωi,min——為了保證系統正常運行的最低容量約束;

ωi,max——考慮占地面積的最大容量約束;

I——設備集,包括WT、PV、EB、EC、HS、MT、GB、LBR、P2H、HT、FC。

3.2.2 功率平衡約束

為了保證綜合能源系統的可靠運行,系統必須滿足電、熱、氣供需平衡,即滿足以下功率平衡方程。

式中:PWT,t、PPV,t、PFC,t——t時刻風機、光伏系統、燃料電池輸出的電功率;

PLoad,t、HLoad,t、CLoad,t、GLoad,t——t時刻電、熱、冷、氫負荷;

PEB,t、PEC,t、PP2H,t——t時刻電鍋爐、電制冷機、電制氫裝置輸入的電功率;

HFC,t、HEB,t——t時刻燃料電池、電制熱輸出的熱功率;

HLBR,t——t時刻溴化鋰制冷機輸入的熱功率;

CLBR,t、CEC,t——t時刻溴化鋰制冷機、電制冷機輸出的冷功率;

GP2H,t——t時刻電制氫裝置產生的氫氣;

GFC,t——t時刻電制氫裝置消耗的氫氣。

3.2.3 設備出力約束

除了滿足上述列出的功率平衡等式約束外,系統內各設備的電、熱和氣出力也需滿足其正常工作范圍的上下限要求。

式中:Pm,t,min、Pm,t,max、Pm,t——任意m類電設備在t時刻正常運行時的最小、最大和實際發電功率;

Hn,t,min、Hn,t,max、Hn,t——任意n類熱設備在t時刻正常運行時的最小、最大和實際發熱功率;

Cr,t,min、Cr,t,max、Cr,t——任意r類冷設備在t時刻正常運行時的最小、最大和實際供冷功率;

Gs,t,min、Gs,t,max、Gs,t——電制氫設備在t時刻生產氫氣的最小、最大和實際電功率。

3.2.4 儲能設備約束

儲能裝置包括儲氫罐、熱儲能裝置,應同時滿足儲能額定容量與交換功率約束。這里以儲氫罐為例。

(26)

4 案例分析

4.1 算例數據與情景設置

為驗證本文所提系統的合理性,以某地區的實際算例為例,進行仿真規劃。該實際算例包括工業區、商業區、生活區3個園區。將原有的階梯式碳交易模型和計及碳超額率的階梯式碳交易模型分別設為模型1和模型2。模型1和模型2碳交易的基礎價格、價格增長率均為200元/t,0.25。模型1碳交易區間長度為165 t,模型2碳交易區間長度為0.07。算例仿真在CPU為AMD Ryzen 5 5600H with Radeon Graphics的電腦上展開,通過MATLAB R2017b軟件編程實現。

針對本文構建的基于計及碳超額率的階梯式碳交易的含電制氫綜合能源系統規劃模型,均采用冷熱電聯供方式+電氫儲能系統,分以下6種情景討論:情景1,工業區,模型1;情景2,工業區,模型2;情景3,商業區,模型1;情景4,商業區,模型2;情景5,生活區,模型1;情景6,生活區,模型2。

4.2 優化配置結果分析

4.2.1 設備容量優化結果分析

不同情景下功能設備優化配置結果如表1所示。

表1 不同情景下功能設備優化配置結果 單位:kW

由表1可知,相較于采用階梯式碳交易模型1的情景1、3、5,采用階梯式碳交易模型2的情景2、4、6的電鍋爐、電制冷機和燃氣輪機的總配置容量相對較低,其余風機、光伏系統、微燃機等設備的總配置容量相對較高。

4.2.2 不同階梯式碳交易對規劃方案的經濟性影響分析

不同情景下經濟性指標如表2所示。

表2 不同情景下經濟性指標 單位:萬元

由表2可知:對比情景1和情景2,由于情景2中計及碳超額率的階梯式碳交易促進風機和微燃機的容量上升,因此情景2的投資和運維成本有所上升分別為1167.49萬元和70.65萬元,但購電成本和購氣成本以及碳交易成本均有所下降,分別為76.39萬元、121.58萬元及2.87萬元,其中碳交易成本相當于降低了1%;對比情景3和情景4,由于情景4中計及碳超額率的階梯式碳交易促進光伏系統的容量和微燃機的容量上升,因此情景4的投資成本有所上升為726.73萬元,但購電成本和碳交易成本有所降低,分別為69.62萬元和2.08萬元,其中碳交易成本相當于降低了60%;對比情景5和情景6,由于情景6中計及碳超額率的階梯式碳交易光伏系統和風機的容量有所上升,情景6的投資成本和運維成本有所上升分別為487.07萬元和15.99萬元,但購電成本、購氣成本及碳交易成本有所降低,分別為16.38萬元、31.19萬元與0.66萬元,其中碳交易成本下降了82%。綜上所述,計及碳超額率的階梯式碳交易在促進新能源和微燃機的裝機容量上有更好的效果,增加的清潔能源滿足了部分負荷需求,導致綜合能源系統向電網購買的電量也有所下降。對于規模越小的綜合能源系統來說,其碳交易金額下降的比例越大。對小規模的綜合能源系統的減排有較好的激勵作用。

4.2.3 不同階梯式碳交易對規劃方案的碳排放量影響分析

不同情景下碳排放指標如表3所示。

表3 不同情景下碳排放指標

由表3可知:情景2的碳排放量相較于情景1降低了336.88 t,即降低了13.3%,碳超額率的變化并不是很大,還是在同一個碳排放區間長度內;情景4的碳排放量相較于情景3降低了247.96 t,即降低了13.45%;情景6的碳排放量相較于情景5降低了459.13 t,即降低了48.8%。

可見使用計及碳超額率的階梯式碳交易模型能增加綜合能源系統的減排能力,并且綜合能源系統的規模越小,增加的減排能力越強。采用計及碳超額率的階梯式碳交易機制使得3個園區的碳排放量總共降低1 043.97 t,即降低了19.6%。

4.3 碳交易機制參數的影響

4.3.1 碳交易基礎價格的影響

圖4展示了隨著碳交易基礎價格的變化,情景2的碳交易成本和碳排放量的變化趨勢。

圖4 碳交易成本和碳排放量隨碳基礎價格的變化趨勢

由圖4可知:情景2的碳排放量隨著碳基礎價格的上升而減少;同時,隨著碳基礎價格的上升,情景2的碳交易成本皆呈現先上升后下降的趨勢。

圖5展示了情景2下,購電成本、購氣成本隨碳基礎價格的變化趨勢。

圖5 購能成本隨碳基礎價格的變化趨勢

由圖5可知,隨著碳基礎價格的升高,情景2的購電成本下降,購氣成本上升。這是因為當碳基礎價格升高時,系統為了限制碳排放,減少了對單位碳排放量相對較高的煤電的購買量,增加對單位碳排量相對較低的天然氣的購買量,以提高微燃機和燃料電池的出力,彌補減少的購電量。

綜合上述分析可知,含電制氫的綜合能源系統的運行對碳基礎價格的變動比較敏感,整體呈現出隨著碳交易價格的升高,碳排放量下降、碳交易成本先升高后降低、能效增大的趨勢。

4.3.2 價格增長率的影響

情景2下,當碳超額率大于碳配額區間時價格增長率才能發揮作用。以200元作為基價,碳排放總成本和碳排放量隨價格增長率的變化趨勢如圖6所示。

圖6 碳排放總成本和碳排放量隨價格增長率的變化趨勢

由圖6可知:當價格增長率在[0,0.25)時,隨價格增長率的增加,超過碳配額區間后的碳交易價格增加,為降低碳排放成本,提高系統中低碳設備的出力,進而減少碳排放量;當價格增長率達到0.25后,設備的優化遇到瓶頸,碳排放量不再發生變化,但僅通過改變價格增長率,無法達到減排效果最大化,因為碳超額率小于區間長度時,價格增長率不再起作用,總成本不再增加,所以還需要碳基礎價格的配合。

4.3.3 碳交易區間參數的影響

在計及碳超額率的階梯式碳交易機制中,由于碳超額率的最大值為1.48,所以區間長度和區間數目可以一一對應。情景2下,不同碳交易區間數目的碳排放總成本和碳排放量的變化趨勢如圖7所示。

由圖8可知:當碳交易區間數目在[0,7)時,隨著碳交易區間數目的增加,碳排放量急劇下降;當區間數目增加到7時,碳排放總成本和碳排放量出現較明顯的拐點,即改變區間長度對計及碳超額率的階梯式碳交易機制的影響開始減弱,但此時計及碳超額率的階梯式碳交易機制也能有較好的碳約束能力。

5 結 語

本文建立了計及碳超額率的階梯式碳交易的含電制氫綜合能源系統規劃模型,以電、氫、冷、熱4種能量平衡和元器件工作特性為約束,采用非支配性算法和商用求解器結合的混合智能算法進行求解,得到系統各設備的最優容量配置。計及碳超額率的階梯式碳交易機制,對碳排放量的控制更嚴格,使系統優化規劃更偏向低碳設備;系統的碳排放指標對計及碳超額率的階梯式交易機制的參數,即碳基礎價格、價格增長率、碳交易區間長度的變化較敏感。后續工作可進一步圍繞計及碳超額率的階梯式碳交易機制在多園區綜合能源系統聯合規劃中的應用。