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电转气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】T761

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(CarbonCapturePowerPlant)可

为其提供良好的供应渠道。当前碳捕集与封存CCS(CarbonCaptureand

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。

1P2G-CCPP系统框架

1.1P2G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