【四川大学】2024可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践报告

报告摘要

可再生能源发电制氢一体化系统的若干考量及实践总结

核心内容

可再生能源发电制氢一体化系统（ReP2H）是实现绿氢规模化制备和消纳的重要途径，其核心目标是通过整合可再生能源发电、电解水制氢和化工用氢负荷，提升能源利用效率，促进可再生能源消纳，并推动脱碳减排。该系统涉及多学科协同，包括电气工程、化学工程等，且系统内部元件调节时间尺度差异大，耦合关系复杂，对调控优化提出了更高要求。

主要观点

绿氢的重要性
绿氢作为新兴产业，可实现可再生能源的规模化消纳，并在交通运输、化工、炼油和冶炼等难以电气化的行业发挥脱碳作用。根据《“十四五”新型储能发展实施方案》，绿氢、氢氨储能被列为长周期储能的重点方向。
系统建模与控制
电解水制氢装置建模需考虑电化学、传热和传质等多过程的耦合影响，建立详细状态空间模型，以准确描述其动态运行特性。针对不同功率等级的系统，开发了模型预测控制器（MPC）以提升能量转换效率和安全性。同时，提出结合贝叶斯推断和自适应多项式代理模型的参数估计方法，实现模型参数的在线自动调整。
多时间尺度能量管理
ReP2H系统需协调不同时间尺度的运行，包括日前调度、实时控制等。构建分层能量管理框架，实现发电、制氢和氢负荷的协同优化。在离网应用中，进一步集成储能构网控制、N-1故障处理等模块，提升系统稳定性。
有功-无功协调优化
ReP2H系统中，晶闸管制氢整流器的有功和无功负荷之间存在非线性关系，需通过协调优化提升电-氢综合能量转换效率，同时降低网损和解决电压安全问题。研究表明，协调有功-无功调度可提高氢气产量约2.49%，并降低网损3.12%。
多主体参与下的考量
ReP2H系统可能涉及多个投资主体，包括可再生能源、制氢站和化工系统。由于不同主体间存在投资意愿差异，需通过非合作博弈模型（如多主体定容均衡MSSE）来协调各方利益，实现长期平衡与优化。

关键信息

绿氢发展现状
我国2020年氢气年消费量为3342万吨，其中37%用于合成氨，19%用于合成甲醇。为实现2050年全球气温升幅控制在2.0℃以内的目标，全球29%的合成氨/硝酸产能及所有新增产能需实现绿氢替代。
系统集成与优化
ReP2H系统包含发电、制氢、储氢及化工负荷等多环节，需考虑电-氢能量转换效率、电网接入方式、储能退化成本等因素。内蒙古要求风光制氢一体化项目与电网的年电量交换不超过20%。
欧盟标准
欧盟规定可再生氢生产需使用100%可再生能源，并对制氢过程中的时间与空间匹配提出要求，以确保氢气生产的清洁性。
示范项目与应用
在吉林长春和吉林松原等地已有ReP2H示范项目，如光伏制氢加氢一体站和绿色氢氨醇一体化项目。这些项目通过部署能量管理系统，实现制氢、纯化、储氢、光伏预测和通信等一体化集成。
技术挑战
尽管ReP2H技术正在从理论向实践转变，但许多项目因技术问题被撤销或搁置。系统运行中需考虑电解水制氢设备的动态行为、参数时变性、HTO杂质积累、温度变化等复杂因素，以提升系统安全性和效率。

重点研究内容

电解水制氢动态运行建模
建立涵盖电堆、分离器、碱液循环、纯化、压缩机等模块的详细状态空间模型，以描述系统在变负载运行下的复杂动态行为。
参数估计与在线控制
采用贝叶斯推断和自适应多项式代理模型实现参数在线估计，提高模型精度。同时，开发基于分解算法的在线优化求解方法，提升系统实时响应能力。
有功-无功协调优化
通过协调有功-无功功率管理，实现电-氢能量转换效率最大化，并降低网损。在多制氢机系统中，合理分配负载可显著提升系统性能。
多主体定容均衡（MSSE）
在多主体投资博弈中，构建非合作博弈模型，结合KKT条件和多割广义Benders分解（GBD）算法，实现系统容量规划、运行和运营的均衡。
储能与电网交互
在离网应用中，储能系统需具备构网能力，以维持电网稳定。同时，储能退化成本需被纳入系统优化，以确保经济性和可持续性。