電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究

2024年9月JournalofGlobalEnergyInterconnectionSep.2024文章編號(hào)：2096-5125(2024)05-0473-19中圖分類(lèi)號(hào)：TM73；TK01DOI：10.19705/ki.issn2096-5125.2024.0電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究（全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京市ResearchontheDevelopmentModelofNewEnergyBasesBasedontheElectricity-hydrogen-carbonSynLIUZehong,MENGJing,ZHANGJinxuan,ZHOUYuanbing,LI(GlobalEnergyInterconnectionDevelopmentandCooperationOrganization,XicAbstract:Achievingglobal“carbonneutrality”designatestheenergysectorastheprimarybattleground.Promotinglarge-scale,centralizeddevelopmsteptowardsgreenandlow-carbontransformationoftheenergyindustry.Inresponsetothechallengesfacedbynewenergybasedevelopmentinremoteareaswithinsufficienthydropower,suchasthelackoflow-carbonregulationmethods,limitedgridconfigurationandconsumptioncapacity,andtheneedforimprovementinthe“wind-solar-thermal”developmentmodel,thispaperproposesadevelopmentconceptandmenergybasesbasedonthesynergyofelectricity-hydrogen-carbon.Byintegratingthetechnologicaldevelopmentandregulatorycapacityenhancementofhydrogen-basedproductslikegreenhydrogen,greenammonia,andgreenmethanol,thepaperanalyzesthecompetitivenessandeconomicbenefitsofgreenelectricityandgreenhydrogenintheterminalconsumercoordinateddevelopmentofnewenergybasesandhydrogen-basedindustriesindifferentstagesofdevelopment,andlooksforwardtothepotentialoftheelectricity-hydrogen-carboncollaborativedevelopmentmodelinChina’snorthernregionsandoverseasareaslikeNorthAfrica.Keywords:newenergylarge-scaledevelopment;land;electricity-hydrogen-carbonsynergy;flexibleadjustmentresources;greenhydrogen-basedindust摘要：實(shí)現(xiàn)全球“碳中和”，核心是推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，重要舉措是推動(dòng)新能源大規(guī)?；鼗_(kāi)發(fā)和高效消納。針對(duì)偏遠(yuǎn)、水電不足地區(qū)新能源基地開(kāi)發(fā)面臨的低碳調(diào)節(jié)手段不足、電網(wǎng)配置和消納能力有限、“風(fēng)光火”開(kāi)發(fā)模式降碳難等問(wèn)題與挑戰(zhàn)，提出了基于電-氫-碳協(xié)同的新能源基地發(fā)展思路和開(kāi)發(fā)模式，將氫基產(chǎn)業(yè)發(fā)展與新能源開(kāi)發(fā)消納、煤電靈活低碳轉(zhuǎn)型深度融合，同時(shí)結(jié)合綠氫、綠氨、綠色甲醇等氫基產(chǎn)品制取工藝的技術(shù)發(fā)展和調(diào)節(jié)能力提升，量化分析綠電與綠色氫/氨/甲醇在終端消費(fèi)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力及經(jīng)濟(jì)效益，研判不同時(shí)期新能源基地開(kāi)發(fā)與氫基產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的適用模式及應(yīng)用時(shí)序，展望新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式在中國(guó)三北地區(qū)以及北非等海外地區(qū)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：新能源基地化開(kāi)發(fā)；沙戈荒；電-氫-碳協(xié)同；靈活調(diào)節(jié)資源；綠色氫基產(chǎn)業(yè)氣候變化是世界各國(guó)共同面臨的重大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重威脅人類(lèi)生存和發(fā)展，全球?qū)崿F(xiàn)“碳中和”可有效破解氣候環(huán)境危機(jī)，改善自然生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展。截至2023年9月，全球超過(guò)150個(gè)國(guó)家宣布“碳中和”承諾，但距減排目標(biāo)仍存在較大差距，關(guān)鍵是缺少切實(shí)可行的路徑方案?；茉催^(guò)度使用是造成氣候變化的根源，實(shí)現(xiàn)全球“碳中和”，關(guān)鍵要加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，構(gòu)建安全、高效、清潔的新型能源體系[1-2]。風(fēng)電、光伏等新能源作為推動(dòng)全球能源清潔轉(zhuǎn)型的主導(dǎo)力量，其大規(guī)模基地化開(kāi)發(fā)與新興化工產(chǎn)業(yè)及高碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)動(dòng)，在清潔能源生產(chǎn)側(cè)和消費(fèi)側(cè)實(shí)現(xiàn)雙重替代，對(duì)保障能源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。全球光伏、風(fēng)電適宜集約化規(guī)?；_(kāi)發(fā)的資源潛氣候多變，需要根據(jù)當(dāng)?shù)刭Y源條件和電網(wǎng)發(fā)展水平，制定差異化的新能源基地開(kāi)發(fā)策略。例如，中國(guó)西部北部，處于水電資源豐富區(qū)域的風(fēng)光資源區(qū)域，如西南以及西北靠近西南區(qū)域，可采用“水風(fēng)光協(xié)同”開(kāi)發(fā)模式[4-7]；對(duì)于水電資源不足地區(qū)，如三北沙戈荒地隨著“碳中和”目標(biāo)的穩(wěn)步推進(jìn)，全球清潔電力 474 的需求迅速增長(zhǎng)，新能源資源的開(kāi)發(fā)范圍也將不斷擴(kuò)大，新能源基地的建設(shè)或?qū)纳掣昊倪吘壍貐^(qū)向遠(yuǎn)離主網(wǎng)的腹地?cái)U(kuò)展。與水電資源豐富的地區(qū)相比，偏遠(yuǎn)且水電資源不足地區(qū)的新能源基地開(kāi)發(fā)面臨的挑戰(zhàn)更加突出：一是周邊綠色低碳的靈活調(diào)節(jié)手段不足，難以通過(guò)大規(guī)模利用水電和抽蓄為新能源基地提供調(diào)節(jié)資源，日內(nèi)電力平衡和長(zhǎng)期季節(jié)電量平衡難度加大；二是新能源基地大多位于電網(wǎng)邊緣地區(qū)、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，資源開(kāi)發(fā)與消納嚴(yán)重依賴外送通道，存在主網(wǎng)對(duì)基地支撐能力弱和消納困難等問(wèn)題；三是當(dāng)前“風(fēng)光火”的開(kāi)發(fā)方式與能源電力行業(yè)降碳需求之間存在矛盾，火電擠占了部分綠電的消納空間，同時(shí)無(wú)法滿足下游用電企業(yè)對(duì)綠電的需求，對(duì)其產(chǎn)品綠色認(rèn)證帶來(lái)制約[10-11]。為克服這些挑戰(zhàn)，偏遠(yuǎn)且水電資源不足地區(qū)的新能源開(kāi)發(fā)亟需創(chuàng)新發(fā)展模式，探索出一種能夠兼顧靈活調(diào)節(jié)、高效輸送、充分消納、清潔低碳等要當(dāng)前，許多學(xué)者對(duì)中國(guó)新能源基地開(kāi)發(fā)利用開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[12-13]分析了電網(wǎng)發(fā)展面臨的新形勢(shì)和新能源規(guī)模化接入后存在的問(wèn)題，探討了擴(kuò)大電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)提高電力系統(tǒng)供電可靠性和安全穩(wěn)定水平的作用。文獻(xiàn)[14-16]從靈活調(diào)節(jié)資源配置方面研究了各類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)、柔直技術(shù)、構(gòu)網(wǎng)型技術(shù)對(duì)提升系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力和新能源基地開(kāi)發(fā)外送規(guī)模的作用。文獻(xiàn)[17-22]總結(jié)了影響新能源消納的關(guān)鍵因素，分析了電氫協(xié)同利用的可行方式和經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[23-25]著重對(duì)煤電靈活性改造和CCUS技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析，并探討了煤電清潔低碳發(fā)展與支撐新能源開(kāi)發(fā)的相互影響。上述研究中，新能源基地的功能定位大多為發(fā)電外送，利用電氫協(xié)同的開(kāi)發(fā)模式也多以與大電網(wǎng)互聯(lián)關(guān)系進(jìn)行區(qū)分。尚未有研究針對(duì)偏遠(yuǎn)且零碳/低碳調(diào)節(jié)資源不足地區(qū)的新能源開(kāi)發(fā)，拓寬新能源基地開(kāi)發(fā)定位，以市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，利用電-氫-碳耦合關(guān)全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織提出的《以電-氫-碳耦合方式協(xié)同推進(jìn)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)與煤電綠色轉(zhuǎn)型》已列入中國(guó)科協(xié)2024十大前沿科學(xué)問(wèn)題，力求通過(guò)“一減一加”兩方面發(fā)力推動(dòng)能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)型。作為“以電-氫-碳耦合方式協(xié)同推進(jìn)新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)與煤電綠色轉(zhuǎn)型”問(wèn)題系列研究成果的組成部分，本文提出了基于電-氫-碳協(xié)同的新能源基地發(fā)展思路和開(kāi)發(fā)模式，為靈活支撐新能源基地開(kāi)發(fā)消納、降低煤電低碳改造和CO2固化利用難度提供了綜合解決渠道，通過(guò)深入分析綠氫及氨/甲醇等氫基產(chǎn)品制取工藝對(duì)新能源發(fā)電的適應(yīng)性，評(píng)估了氫/氨/甲醇等綠色氫基產(chǎn)業(yè)與新能源基地協(xié)同開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與經(jīng)濟(jì)效益，分析了不同發(fā)展時(shí)期電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式的適用性及應(yīng)用時(shí)序；以中國(guó)三北地區(qū)和北非地區(qū)為例，展望了新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式的全球應(yīng)用1電-氫-碳協(xié)同的新能源基地發(fā)展思路電、氫、碳作為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的能源形式，在特定應(yīng)用領(lǐng)域滿足著用能需求。電-氫-碳協(xié)同發(fā)展通過(guò)構(gòu)筑低/零碳清潔的能源-物質(zhì)轉(zhuǎn)換體系，綜合發(fā)揮了電、氫、碳自身的優(yōu)點(diǎn)和作用，在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域相互轉(zhuǎn)化、互為補(bǔ)充。其中，電、氫是指綠電和綠氫，作為清潔能源替代火電和“灰氫”，同時(shí)綠氫作為綠電的媒介，在難以直接應(yīng)用電力的場(chǎng)景實(shí)施廣義電能替代；碳是指以煤為代表的化石能源降碳、碳捕集及利用技術(shù)，捕集的CO2通過(guò)氫-碳合成甲醇、乙烯等產(chǎn)品，令已排放的碳元素再次參與到能源生產(chǎn)、配置和消費(fèi)中，既滿足了能源電力、工業(yè)領(lǐng)域的碳減排需求，也為其他行業(yè)排放的CO2提供了綜合利用渠道，最終實(shí)現(xiàn)碳元素的循環(huán)利用和“自平衡”重塑[26]?；陔?氫-碳協(xié)同的新能源基地開(kāi)發(fā)是將綠電、綠氫及綠色氫基產(chǎn)品與CO2減排和利用，通過(guò)技術(shù)對(duì)接、供需銜接、產(chǎn)業(yè)承接等方式結(jié)合起來(lái)，形成“靈活資源就近協(xié)同、電氫（氨/甲醇）生產(chǎn)并舉、上下游產(chǎn)業(yè)共同發(fā)力”的新發(fā)展思路，統(tǒng)籌解決偏遠(yuǎn)、水電資源不足地區(qū)新能源開(kāi)發(fā)通道有限送出難、調(diào)節(jié)資源不足穩(wěn)定供應(yīng)難、應(yīng)用范圍有限消納難以及“風(fēng)光火”開(kāi)發(fā)方式降碳難的四大問(wèn)題，主要涵蓋綠電與綠氫生產(chǎn)協(xié)同，綠電與綠氨/甲醇等氫基產(chǎn)品生產(chǎn)協(xié)同，綠電/氫與煤電低碳轉(zhuǎn)型協(xié)同，也可與冶金、化工等傳統(tǒng)高載能產(chǎn)業(yè)協(xié)同，如圖1所示。協(xié)同過(guò)程中，一方面利用氫/氨/甲醇制取工藝的靈活性，配套儲(chǔ)電/氫/氨、氫/氨發(fā)電以及火電富氧燃燒、摻氫/摻氨發(fā)電，為新能源基地提供全時(shí)間尺度的零碳調(diào)節(jié)資源[27]，解決新能源基地周邊低碳調(diào)節(jié)資源匱乏、配套調(diào)節(jié)煤電需要降碳等問(wèn)題。另一方面，新能源基地開(kāi)發(fā)通過(guò)“綠電制取綠氫/氨/甲醇，就近消納和外送并舉”，促進(jìn)綠電、綠氫在化工、冶金、建材等高載能產(chǎn)業(yè)和氫基化工產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用[28-29]，實(shí)現(xiàn)新能源基地開(kāi)發(fā)與區(qū)Vol.7No.5劉澤洪，等：電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究475域產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)發(fā)展，大幅提高新能源消納能力，同時(shí)推風(fēng)、光電電風(fēng)、光電電氫儲(chǔ)氫氧/富氧氫氫氫氫氫電電摻氫/氫降碳碳電碳碳?xì)潆姎銯ig.1Schematicdiagramofthedevelopmentenergybasesbasedonelectricity-hydrogen-carbons除大規(guī)模儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫以及氫發(fā)電技術(shù)外，影響電-氫-碳協(xié)同效果的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在氫/氨/甲醇電制氫是電-氫-碳協(xié)同中銜接上游新能源發(fā)電和下游化工生產(chǎn)的核心技術(shù)，目前主要有堿性電解槽（protonexchangemembrane，PEM）、陰離子交換膜電解槽（anionexchangemembrane，AEM）和高溫固體氧化物電解槽（solidoxideelectrolysiscell，SOEC）等技術(shù)[30-31]，其技術(shù)特征和參數(shù)對(duì)比如表1所示。Table1Comparisonoftechnicalcharacteristicsand℃m3/hkWh/m3%%其中，AEC制氫技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)化程度高且價(jià)格低廉，是當(dāng)前大規(guī)模電制氫的主力技術(shù)，但其靈活調(diào)節(jié)存在兩大問(wèn)題：一是負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍相對(duì)較窄，大部分在運(yùn)電解槽工作在滿載負(fù)荷的40%~50%及以上；二是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，難以快速啟停，耐波動(dòng)和耐沖擊性能不足。PEM技術(shù)靈活調(diào)節(jié)性能較優(yōu)，單槽最小負(fù)荷可低至0，具備全負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，甚至可通過(guò)短時(shí)過(guò)負(fù)載（最大可達(dá)約60%）提供額外負(fù)荷增量，并且相比于AEC，電解效率高，具有啟動(dòng)時(shí)間短和響應(yīng)時(shí)速度及功率調(diào)節(jié)達(dá)到s級(jí)，更加適應(yīng)新能源基地風(fēng)光出力波動(dòng)較大等場(chǎng)景，但其成本相對(duì)較高，目前處于商業(yè)化初期階段。AEM技術(shù)結(jié)合AEC與PEM的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，目前尚處于研發(fā)階段。SOEC技術(shù)電解效率最高，主要缺點(diǎn)是設(shè)備使用壽命大規(guī)模電制氫作為靈活調(diào)節(jié)資源參與新能源基地開(kāi)發(fā)時(shí)，需要兼顧適應(yīng)風(fēng)光波動(dòng)和低成本。近期可以采用混合技術(shù)方式，綜合利用AEC的成本優(yōu)勢(shì)以及PEM的靈活調(diào)節(jié)能力[32]；遠(yuǎn)期一方面降低PEM的商業(yè)成本，另一方面仍需通過(guò)技術(shù)進(jìn)步提升AEC制氫系統(tǒng)自身的靈活性，如利用柔性制氫技術(shù)提升電制氫與風(fēng)光發(fā)電匹配性，可采用全控電力電子器件和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)改造制氫電源，并通過(guò)電氫協(xié)同動(dòng)態(tài)控制算法進(jìn)一步改善制氫負(fù)荷并網(wǎng)特性[33]。目前，柔性制氫技術(shù)可以將單槽最小負(fù)荷降低到20%，滿功率運(yùn)行的預(yù)計(jì)未來(lái)參與新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)的電制氫技術(shù)短期內(nèi)仍以AEC技術(shù)為主，調(diào)節(jié)范圍在20%~100%，具備min級(jí)調(diào)節(jié)能力；中期采用AEC和PEM的組合技術(shù)，PEM比例逐步增大；遠(yuǎn)期向低成本 476 2.2合成氨技術(shù)合成氨是指采用哈伯法，將氮和氫在高溫、高壓和催化劑作用下直接合成的氨，其碳排放量主要取決于生產(chǎn)氫氣的原料和工藝，采用煤制氫和天然氣制氫為降低合成氨碳排放，有三種技術(shù)路線[34]：第一代技術(shù)（藍(lán)氨）路線采用碳捕集方法降低或消除現(xiàn)有合成氨的碳排放，多被認(rèn)為是一種過(guò)渡手段；第二代技術(shù)路線仍然采用哈伯法合成氨，但使用綠氫替代煤制氫，此法生產(chǎn)的氨通常被稱作綠氨，如圖2所示；第三代技術(shù)路線采用氮?dú)庵苯与娺€原制氨，這條技術(shù)路徑可調(diào)節(jié)性好，但目前還存在反應(yīng)選擇性差、反應(yīng)速度慢、實(shí)際能量轉(zhuǎn)化效率低等缺點(diǎn)，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。綜合考慮技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性等因素，本文認(rèn)為第二代技術(shù)（綠氫+哈伯法制綠氨）較為成熟，可以在現(xiàn)有合成氨工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，是目前及 N NN,H,NH H ON,HFig.2Theprincipleofgreenhydrogenprocessfor能以周、月級(jí)別的時(shí)間尺度進(jìn)行調(diào)節(jié)，基本屬于連續(xù)穩(wěn)定的剛性生產(chǎn)過(guò)程，無(wú)法靈活調(diào)節(jié)。主要原因是：①合成氨是放熱反應(yīng)，在低負(fù)荷下整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)熱減少，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的換熱體系造成沖擊，產(chǎn)生“溫度塌方”問(wèn)題；②合成氨是體積減小的反應(yīng)，低負(fù)荷下合成回路壓力下降，影響反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性；③傳統(tǒng)合成氨控制系統(tǒng)延遲性較大，無(wú)法滿足快速自動(dòng)控制要求；④合成氨反應(yīng)在高溫高壓環(huán)境下進(jìn)行，頻繁調(diào)節(jié)負(fù)荷運(yùn)行工況增加系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)[35]。若剛性合成氨為配合風(fēng)光的季節(jié)性變化按月調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，一般為新能源大發(fā)季節(jié)滿負(fù)荷生產(chǎn)，小風(fēng)弱光季節(jié)通過(guò)安排設(shè)為適應(yīng)新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)，剛性合成氨的柔性改造是解決新能源發(fā)電和綠氫制取波動(dòng)與傳統(tǒng)哈伯法連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程之間矛盾的關(guān)鍵技術(shù)，有裝置小型化和柔性工藝兩種策略。裝置小型化是將大型的綠氨生產(chǎn)系統(tǒng)拆分為多套電解水制氫裝置和合成氨裝置，配合新能源的波動(dòng)，調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，多套裝置組合輪替運(yùn)行。由于化工生產(chǎn)存在規(guī)模效應(yīng)，一般大規(guī)模生產(chǎn)裝置的單位產(chǎn)能成本低于小規(guī)模生產(chǎn)裝置的單位產(chǎn)能成本，因此這一策略經(jīng)濟(jì)性較差，目前尚未有項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用。柔性工藝是對(duì)哈伯法合成氨系統(tǒng)本身進(jìn)行柔性改造，開(kāi)發(fā)適應(yīng)柔性生產(chǎn)模式的合成氨工藝和調(diào)控技術(shù)，解決綠氫供應(yīng)量波動(dòng)、生產(chǎn)負(fù)荷不確定造成的生產(chǎn)穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟(jì)性多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)控問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)一定程度的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。柔性合成氨工藝相較傳統(tǒng)工藝需要增加更多的控制設(shè)備，裝置合成氨項(xiàng)目國(guó)內(nèi)已有在建示范項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2030年實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，調(diào)節(jié)范圍在30%~100%，能夠根據(jù)風(fēng)光出力按日調(diào)節(jié)；未來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步，調(diào)節(jié)范圍有望達(dá)到10%~100%。不同調(diào)節(jié)范圍的柔性合成氨負(fù)荷特1011日 （a）調(diào)節(jié)范圍30%~100%時(shí)柔性合成氨負(fù)荷特性111日 （b）調(diào)節(jié)范圍10%~100%時(shí)柔性合成氨負(fù)荷特性Fig.3Loadingcharacteristicsofflexiblesyntheticammonia2.3合成甲醇技術(shù)其工藝流程如圖4所示。國(guó)外甲醇生產(chǎn)原料主要是天CO2生成甲醇，是制取甲醇的新途徑，不僅生產(chǎn)過(guò)程Vol.7No.5劉澤洪，等：電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究477本身清潔零碳，還可以將其他途徑排放的CO2固化利用，如通過(guò)捕集火電排放的CO2生產(chǎn)甲醇，可以有效HFig.4Schematicdiagramofsyntheticmethanolprocess與合成氨類(lèi)似，傳統(tǒng)合成甲醇也是連續(xù)穩(wěn)定的剛性生產(chǎn)過(guò)程。與合成氨相比，合成甲醇是一個(gè)更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)、連續(xù)、非線性的工程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)難度更大，反應(yīng)體系的快速自動(dòng)控制和催化劑難以承受負(fù)荷波動(dòng)等問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)面臨的關(guān)鍵難題。目前的柔性合成甲醇技術(shù)能承受的負(fù)荷波動(dòng)范圍在60%~100%，隨著控制技術(shù)、催化劑等問(wèn)題的解決，柔性合成甲醇負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍有望擴(kuò)大至30%~100%。不同調(diào)節(jié)范圍的柔性合成甲醇負(fù)荷特性如圖5所示。1011日 1011日 Fig.5Loadcharacteristicsofflexiblesyntheticmethanol2.4煤電機(jī)組的碳捕集及其靈活調(diào)節(jié)改造技術(shù)燃煤發(fā)電當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)間仍將作為重要的調(diào)節(jié)性電源支撐新能源開(kāi)發(fā)，利用碳捕集與封存技術(shù)對(duì)現(xiàn)役機(jī)組實(shí)施深度調(diào)峰改造，是解決煤電綠色轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)。碳捕集技術(shù)分為燃燒前捕集、燃燒后捕集和富氧燃燒捕集三類(lèi)[37]。燃燒前捕集技術(shù)的碳基燃料燃燒前物質(zhì)轉(zhuǎn)換步驟復(fù)雜，CO2體積分?jǐn)?shù)及捕集效率低、設(shè)備成本高，不適用于大規(guī)模燃煤電廠改造。燃燒后捕集技術(shù)是通過(guò)系統(tǒng)尾部煙氣分離實(shí)現(xiàn)CO2捕捉，對(duì)現(xiàn)有燃煤發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行方式影響小，但能耗較高、效率較低。富氧燃燒捕集技術(shù)是在碳基燃料燃燒過(guò)程中，將氧氣與循環(huán)煙氣混合作為氧化劑，替代氮?dú)夂枯^高的空氣，送入爐膛燃燒，避免氮?dú)庀♂屛膊繜煔猓a(chǎn)生的氣體僅包括H2O和CO2，且CO2體積分?jǐn)?shù)高達(dá)不再需要捕獲步驟，如果可以低成本或者零成本地獲取純氧，利用富氧燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳捕集的成本低于燃燒后捕集技術(shù)[38]。在燃煤機(jī)組深度調(diào)節(jié)技術(shù)中，除供熱機(jī)組需考慮熱電解耦問(wèn)題外，大部分機(jī)組主要需解決低出力方式下的鍋爐易熄火、難穩(wěn)燃的問(wèn)題。目前，國(guó)際上純凝火電機(jī)組在不投油情況下最小穩(wěn)燃技術(shù)出力約為20%~25%額定功率，有研究[39-40]表明燃煤機(jī)組利用純氧強(qiáng)化燃燒，可降低煤粉的著火溫度，在不投油的情況下，最低穩(wěn)燃技術(shù)出力下限達(dá)到15%額定功率，比新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)已經(jīng)采用“風(fēng)光火”方式開(kāi)發(fā)的配套煤電機(jī)組實(shí)施富氧燃燒碳捕集改造，充分利用電制氫的副產(chǎn)氧氣作為純氧獲取來(lái)源，減少富氧燃燒改造的空分設(shè)備投入，降低碳捕集成本，同時(shí)可增加燃煤機(jī)組靈活調(diào)節(jié)改造深度，3新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模型電-氫-碳協(xié)同過(guò)程鏈條長(zhǎng)、涉及技術(shù)復(fù)雜，協(xié)同難點(diǎn)在于既要解決新能源波動(dòng)性對(duì)電制氫調(diào)節(jié)能力的挑戰(zhàn)、電制氫波動(dòng)與后續(xù)產(chǎn)業(yè)連續(xù)運(yùn)行工況的矛盾，又要以經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的配置方式兼顧滿足新能源電力可 478 本文將新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)過(guò)程從能源生產(chǎn)到形成產(chǎn)品簡(jiǎn)化為新能源發(fā)電、電制氫、合成氨/之間，通過(guò)配置儲(chǔ)能提升電制氫運(yùn)行工況對(duì)新能源出力波動(dòng)的適應(yīng)能力，利用儲(chǔ)氫在波動(dòng)制氫和后續(xù)化工用氫之間構(gòu)建緩沖，并輔以氫發(fā)電滿足新能源發(fā)電季節(jié)調(diào)節(jié)需求，但大規(guī)模配置儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、氫發(fā)電設(shè)備會(huì)推高協(xié)同開(kāi)發(fā)的投資成本，影響綠電及綠色氫/氨/合成氨/甲醇等H2NHH2NHFig.6Themainlinkofelectric-hydrogen-carbonsynergy本文建立了一種以全系統(tǒng)總成本最低為目標(biāo)的新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模型。模型主要包括新能源發(fā)電、電制氫、氫發(fā)電、電化學(xué)儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、氨/醇協(xié)同開(kāi)發(fā)關(guān)鍵是根據(jù)發(fā)電需求、生產(chǎn)工藝和新能源資源特點(diǎn)，優(yōu)化各個(gè)設(shè)備單元的配置容量和運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的電力電量、氫以及碳的能源-物質(zhì)轉(zhuǎn)換平衡，在滿足外送電力、制取氫/氨/甲醇用電需求的基礎(chǔ)上，求解最佳風(fēng)光配置及儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、氫發(fā)電規(guī)式（1）表示新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模型以全系統(tǒng)總成本最低為目標(biāo)。為便于分析，式中所有成本費(fèi)用均折算為研究水平年的現(xiàn)值，C表示電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的年化費(fèi)用，Cinv為系統(tǒng)投資總費(fèi)用，Coper為年運(yùn)行費(fèi)用。其中：式中：A為新建發(fā)電設(shè)備集合，主要考慮風(fēng)光等新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、氫發(fā)電、火電；B為新建氫基產(chǎn)品生產(chǎn)和利用設(shè)備集合，包括電解槽、儲(chǔ)氫、合成氨/甲醇電-氫轉(zhuǎn)換效率氫/氨/甲醇用電需求否否是是否是否否是是是Fig.7Themodelandsimulationprocessofnewenergybaseelectric-hydrogen-carbonsynergisticdeve以及碳捕集和存儲(chǔ)設(shè)備；IC表示設(shè)備年化單位投資成本；OC為運(yùn)行成本；GH為仿真模擬設(shè)備的平均發(fā)電小時(shí)/利用小時(shí)數(shù)；c為各設(shè)備的最佳優(yōu)化容量，是求3.2能量-物質(zhì)平衡力狀態(tài)的實(shí)時(shí)電力平衡。式中：P表示新能源基地所有電源出力及用電負(fù)荷，下標(biāo)RES、BS、HV、FV分別表示新能源電源、儲(chǔ)能、氫發(fā)電、燃煤發(fā)電，LD、LH、LA表示外送電力、制氫負(fù)荷以及合成氨/甲醇等PBS,t為正數(shù)代表放電，負(fù)數(shù)代表充電。式（5）模擬了全系統(tǒng)電量平衡，新能源基地所有機(jī)組的發(fā)電量等于用電量，由于儲(chǔ)能的充放電過(guò)程以及電-氫-電的轉(zhuǎn)換過(guò)程均存在一定能量損失，因此在全系統(tǒng)電量平衡中需要考慮儲(chǔ)能和電-制氫-氫發(fā)電過(guò)程的電量損失。式中：E表示電量；α、γ分別表Vol.7No.5劉澤洪，等：電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究479示儲(chǔ)能充放電效率、電-氫-電綜合轉(zhuǎn)換效率。ERES+EFV=ELD+ELH+ELA+(1?α)EBS+(1?γ)EHV（5）此外，調(diào)峰平衡需要滿足新能源基地配置的儲(chǔ)能以及其他可調(diào)電源能夠提供的調(diào)峰容量不小于系統(tǒng)負(fù)荷與新能源出力波動(dòng)產(chǎn)生的調(diào)峰需求。文獻(xiàn)[45-46]已甲醇負(fù)荷作為調(diào)節(jié)資源之一，需要對(duì)其引入調(diào)節(jié)能力0<β<1，β取值與電解槽類(lèi)型、研究水平年技術(shù)發(fā)展有關(guān)；UPLH、DPLH分別為電解槽每個(gè)時(shí)段允許的上、下調(diào)出力；PLA表示合成氨/甲醇滿負(fù)荷功率；χ表示合成氨/甲醇允許低負(fù)載運(yùn)行的最小負(fù)荷率，0.3<χ<1，χ取值與后續(xù)氫能利用的選擇、研究水平年的生產(chǎn)工藝有關(guān)；UPLA、DPLA分別為合成氨/甲醇每時(shí)段允許的3.2.2氫平衡全系統(tǒng)保持氫平衡主要體現(xiàn)在兩方面，一是電解槽制造的氫氣滿足外送氫氣以及氫發(fā)電、合成氨/甲醇ΣH=ΣHV+ΣHL+ΣHU（10）+Ht?(HV,t+HAN,t+HL,t)（11）式中：H、HV、HL、HU分別表示電解槽制氫量、發(fā)電功率的關(guān)系、發(fā)電用氫進(jìn)氫速率與發(fā)電功率的關(guān)系。式中：αE→H是電解槽電-氫轉(zhuǎn)換效率；αH→E是氫發(fā)電的氫-電轉(zhuǎn)換效率；LHV是氫的熱值。Ht=PLH,tαE→H/LHV（13）HV,t=PHV,tαH→ELHV（14）量、耗氫量與生產(chǎn)功耗的關(guān)系。式中：Mt為氨/甲醇的單位時(shí)間產(chǎn)量；φ為氨/甲醇的反應(yīng)效率；λ為合成氨/HU,t=Mt/φ（15）3.2.3碳平衡合成甲醇的碳源來(lái)自煤電機(jī)組發(fā)電，式（17）模擬煤電機(jī)組輸出功率與CO2產(chǎn)生量的關(guān)系。式中：Oc,t為煤電機(jī)組t時(shí)刻的CO2排放量；μc為燃煤機(jī)組的CO2與氫平衡類(lèi)似，保持碳平衡主要體現(xiàn)在兩方面：一是火電排放CO2的捕集量與合成甲醇所需的CO2量相等，即沒(méi)有額外的碳排放；二是CO2儲(chǔ)存設(shè)備容量c,tΣOCCUS=ΣOout（21）式中：OtCUS為t時(shí)刻碳捕集系統(tǒng)的CO2捕集量；δ為碳捕集系統(tǒng)的捕集率；VtCO和Vt是CO2儲(chǔ)存設(shè)備在時(shí)段t和t-1的CO2剩余量；O,為t時(shí)刻合成甲醇的CO2消耗量；V是CO2儲(chǔ)存設(shè)備此外，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量守恒定律，電解水產(chǎn)制氫副產(chǎn)氧氣為氧源，燃煤機(jī)組富氧燃燒的發(fā)電出力。其中：MrH、MrO分別為氫氣、氧氣的相對(duì)分子質(zhì)量；μO(píng)?C為氧轉(zhuǎn)換為碳的質(zhì)量比例系數(shù)；LHVC是PFV,t=Oo,tμO(píng)?CLHVCηFV（24新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式的市4.1協(xié)同模式分類(lèi)偏遠(yuǎn)、水電資源不足地區(qū)，特別是沙戈荒區(qū)域的新能源基地，大多處于電網(wǎng)末端或尚未覆蓋電網(wǎng)，周邊用電需求有限并遠(yuǎn)離東部受端電網(wǎng)。新能源基地多以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)網(wǎng)方式通過(guò)專(zhuān)用輸電通道與主網(wǎng)聯(lián)接，或是直接參與綠電綠氫一體化示范工程的建設(shè)，上/下網(wǎng)電量較低且有明確比例限制[47]主網(wǎng)之間多為離網(wǎng)或弱交互的單向送電關(guān)系。因此，本文不考慮新能源基地與主網(wǎng)的關(guān)系，而選擇從消費(fèi)市場(chǎng)的角度，根據(jù)新能源基地開(kāi)發(fā)的目的及定位，將 480 新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式分為三種，分別是外送電力模式、生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品模式、兼顧外送電力和生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品模式。各模式的產(chǎn)品形式、電-氫-碳協(xié)同的設(shè)備及作用如表2所示，參與電-氫-碳協(xié)同的設(shè)備以及電/氫/碳流向示意如圖表2新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式Table2Newenergybaseelectric-hydrogen-carbonsynerg協(xié)同模式1合成甲醇+火電富氧電制氫+儲(chǔ)能+儲(chǔ)氫+電制氫+儲(chǔ)能+儲(chǔ)氫+電制氫+儲(chǔ)能+儲(chǔ)氫+合成甲醇+火電富氧煤電及CCS合成甲醇所需CO富氧燃燒輸氨/甲醇所需O輸氨/甲醇輸氫儲(chǔ)氫/制氨/甲醇輸氫儲(chǔ)氫/制氨/甲醇儲(chǔ)氫及氫發(fā)電短時(shí)儲(chǔ)能輸電用能終端新能源基地用能終端Fig.8Schematicdiagramofthenewenergybasedevelopmentmodelofelectric-hydrogen-carbonsynergy協(xié)同模式1：新能源基地在滿足外送電力的基礎(chǔ)上，利用制氫、儲(chǔ)氫以及氫發(fā)電等環(huán)節(jié)，作為支撐新能源基地開(kāi)發(fā)外送的可調(diào)節(jié)電源，利用富余電量制氫，并將氫存儲(chǔ)，用于氫發(fā)電，解決送電需求與新能協(xié)同模式2：新能源基地開(kāi)發(fā)以生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品為目的，綠電-氫/氨/甲醇生產(chǎn)作為可調(diào)節(jié)負(fù)荷，根據(jù)風(fēng)光出力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，負(fù)荷特性貼近新能源出力特性，實(shí)現(xiàn)高效消納新能源發(fā)電量、降低短時(shí)儲(chǔ)能配置需求。其中，合成氨/甲醇過(guò)程中，配置儲(chǔ)氫作為新能源發(fā)電、電制氫與合成氨/甲醇之間的緩沖；合成甲醇的碳源由火電加CCS提供，火電富氧燃燒充分利用電協(xié)同模式3：新能源基地開(kāi)發(fā)兼顧外送電力和生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品的需求，綠電-氫/氨/甲醇生產(chǎn)協(xié)同，4.2基于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的協(xié)同模式可行性分析生產(chǎn)成本是判斷市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。當(dāng)前，采用AEC制取綠氫的平均成本約25.2元/kg，采用PEM制約綠氫發(fā)展的最大阻礙，市場(chǎng)環(huán)境下的用氫企業(yè)難以大規(guī)模消納“昂貴”的“綠氫”，化石能源制氫成本如表3所示。因此，能否降低綠電與綠色氫基產(chǎn)品生產(chǎn)成本、提升其在終端消費(fèi)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力成為評(píng)判新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式的合理性和具備應(yīng)本文選擇中國(guó)蒙西沙戈荒區(qū)域某新能源基地為例，分析新能源基地電-氫-碳協(xié)同三種開(kāi)發(fā)模式的生產(chǎn)運(yùn)行情況、電/氫/氨/甲醇的生產(chǎn)成本及綜合收益。算例中，外送電力規(guī)模為1000萬(wàn)kW，送電曲線形態(tài)Table3Economiccomparisonofmainhydrogenproductiontechnologies-1）Vol.7No.5劉澤洪，等：電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究481甲醇年產(chǎn)量由制氫量折算。相關(guān)邊界條件和參數(shù)詳見(jiàn)4.2.1協(xié)同模式1在滿足新能源基地電力外送需求后，制氫負(fù)荷根據(jù)電量富余情況動(dòng)態(tài)調(diào)整，電制氫配套儲(chǔ)氫及氫發(fā)電作為調(diào)節(jié)電源承擔(dān)跨季節(jié)電量調(diào)節(jié)作用，制氫用電量與氫發(fā)電電量間呈現(xiàn)季節(jié)性平移特點(diǎn)。協(xié)同模式1的典型日運(yùn)行生產(chǎn)模擬如圖9所示，各月制氫用電量、16160風(fēng)光Fig.9Typicaltimeconsumptionofmode10Fig.10Proportionofelectricityconsumptionproductionandhydrogenpowergeneration隨時(shí)間推移，電制氫負(fù)荷調(diào)節(jié)能力有所提高，短時(shí)儲(chǔ)能規(guī)模需求大幅降低。氫發(fā)電規(guī)模則由送電需求和風(fēng)光出力的季節(jié)性差異決定，各水平年規(guī)模變化較小。本算例中，以外送電力規(guī)模為基準(zhǔn)，配置電制氫及氫發(fā)電規(guī)模分別為1/3、1/2的基準(zhǔn)規(guī)模，可解決3倍至0.28元/kWh，相對(duì)三北地區(qū)燃煤標(biāo)桿電價(jià)0.25~0.37元/kWh的價(jià)格優(yōu)勢(shì)不明顯，但送出電力的電能質(zhì)量較高，且與受端電網(wǎng)負(fù)荷特性高度貼合，受端電網(wǎng)未增加額外調(diào)節(jié)壓力；2040年后發(fā)電成本低于0.2元/kWh，若將新能源電力送至中東部地區(qū)，考慮0.1元/kWh的輸電價(jià)后仍低于0.36~0.5元/kWh的受端地區(qū)燃煤標(biāo)桿電價(jià)，具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。協(xié)同模式1的電解槽、儲(chǔ)能、0 ●LCOE電解槽氫發(fā)電短時(shí)儲(chǔ)能儲(chǔ)氫 ●LCOE04.2.2協(xié)同模式2僅制取綠氫時(shí)，電制氫負(fù)荷特性貼近新能源出力特性，進(jìn)行逐小時(shí)調(diào)整，呈“荷隨源動(dòng)”的特點(diǎn)，但近期電制氫負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍無(wú)法達(dá)到0~100%，為滿足電解槽最小負(fù)荷用電要求，需要額外配置短時(shí)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能規(guī)模隨制氫設(shè)備調(diào)節(jié)能力提升而降低，電解槽調(diào)節(jié)能力每提升1%，可降低2%~3%儲(chǔ)能配置需從生產(chǎn)成本來(lái)看，2030年前后，綠氫成本可由18元/kg降至13元/kg，相對(duì)藍(lán)氫具備一定競(jìng)爭(zhēng)力，相對(duì)灰氫仍不具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，需要碳稅政策支持，按照1kg灰氫碳排放量25kg進(jìn)行測(cè)算，碳價(jià)達(dá)到150元/t時(shí)，綠氫成本可與灰氫持平。2040年前后，綠氫成本預(yù)計(jì)低于10元/kg，即使不考慮碳價(jià)，綠氫價(jià)格優(yōu)勢(shì)已明顯高于化石能源制氫。協(xié)同模式2制氫的電解槽、儲(chǔ)能、1616016160Fig.12Typicaltimeconsumptionofmo 482 02023年2030年2040年2電解槽短時(shí)儲(chǔ)能LCOH50Fig.13Regulationresourceallocationcostofmode2增加合成氨/甲醇的用氫環(huán)節(jié)后，考慮當(dāng)前合成氨、合成甲醇為剛性生產(chǎn)過(guò)程，且電制氫調(diào)節(jié)能力有限，需要大量?jī)?chǔ)能提供短時(shí)靈活性，儲(chǔ)氫、氫發(fā)電提供長(zhǎng)時(shí)間尺度靈活性，儲(chǔ)能規(guī)模隨電制氫調(diào)節(jié)能力提高而降低，儲(chǔ)氫需求則受柔性工藝應(yīng)用及其調(diào)節(jié)能力影響。與合成氨相比，合成甲醇不需要電-氫-電的轉(zhuǎn)換提供長(zhǎng)時(shí)間尺度的靈活性，提供碳源的火電也可有從生產(chǎn)成本來(lái)看，當(dāng)前綠氨成本已經(jīng)與煤制合成氨的市場(chǎng)價(jià)格相當(dāng)，約3700元/t；2030年綠氨成本可降至2000元/t，低于煤制氨成本，具備實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用和全面推廣的經(jīng)濟(jì)條件；2040年、2050年綠氨成本00成本/(元t)電解槽氫發(fā)電短時(shí)儲(chǔ)能儲(chǔ)氫氨成本00成本/(元t)電解槽火電短時(shí)儲(chǔ)能儲(chǔ)氫甲醇成本Fig.14Regulationresourceallocatiproductioncostsofmode2的合成氨方式之一，協(xié)同模式2制氨的電解槽、儲(chǔ)能、成綠色甲醇成本較高，約3500元/t，遠(yuǎn)高于煤制甲醇的市場(chǎng)價(jià)格（2500元/t2030年，柔性合成甲醇實(shí)現(xiàn)與煤制甲醇市場(chǎng)價(jià)格持平，有望實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V；2040年、2050年前后，綠色甲醇成本可分別降至1800元/t、1500元/t以下，成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的合成甲醇方式之一，協(xié)同模式2制甲醇的電解槽、儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、火4.2.3協(xié)同模式3荷規(guī)模增大，能夠提供更大的調(diào)節(jié)空間，儲(chǔ)能需求減0模式1模式3電/氫兼顧模式3電/氨兼顧模式3電/甲醇兼顧成本/(元t)050成本/(元kg)模式3電/甲醇兼顧mm模式2制甲醇模式3電/甲醇兼顧mm模式2制甲醇模式3電/氫兼顧Vol.7No.5劉澤洪，等：電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究483功率/萬(wàn)kW159212529159212529333741454953576165697377818589939750004000300020001000時(shí)序/h火電外送電風(fēng)電電化學(xué)儲(chǔ)能綜合負(fù)荷火電外送電風(fēng)電電化學(xué)儲(chǔ)能綜合負(fù)荷未利用光伏未利用風(fēng)電 化工用電電解氫（a）剛性制氨159159 Fig.17Thetypicaltimeconsumptionofmode3for協(xié)同模式3兼顧電/甲醇生產(chǎn)的典型日運(yùn)行生產(chǎn)模159159 159159 Fig.18Thetypicaltimeconsumptionofmode3for4.3新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式應(yīng)用路徑綜合對(duì)比綠電成本與燃煤標(biāo)桿電價(jià)間的競(jìng)爭(zhēng)力、綠色氫/氨/甲醇成本與煤制氫/氨/甲醇成本間的競(jìng)爭(zhēng)力，以及新能源基地開(kāi)發(fā)的綜合收益，2030年碳達(dá)峰前，新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)以生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品為主的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較優(yōu)，其中綠氨的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力最強(qiáng)，綠氫、綠醇次之。2040年以后，隨著風(fēng)光發(fā)電、電解槽、氫發(fā)電以及儲(chǔ)氫等設(shè)備投資成本降低，以及合成氨/甲醇柔性工藝的成熟應(yīng)用，無(wú)論是以外送電力為主、還是以生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品為主，或是二者兼顧的新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式，其發(fā)電成本和制氫成本均同步大幅降低。其中，兼顧外送電力和生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品的協(xié)同開(kāi)發(fā)模式3經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于其他兩種協(xié)同開(kāi)發(fā)模式。該模式下，制/用氫環(huán)節(jié)需要調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，支撐新能源電力外送，導(dǎo)致氫/氨/甲醇生產(chǎn)成本略有提升，但其發(fā)電成本大幅下降，售電、售氫/氨/甲醇的綜合收益高于分別采用外送電力模式、生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品模式生產(chǎn)相同體量綠電及綠-30-30-80-130Fig.19Comparisonofecmode2考慮偏遠(yuǎn)、水電資源不足地區(qū)新能源開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題，現(xiàn)階段至2030年的電-氫-碳協(xié)同過(guò)程中，電制氫的主要作用以就近平抑新能源功率波動(dòng)為主，氫發(fā)電尚不具備支撐新能源基地大規(guī)模外送、平衡新能源發(fā)電季節(jié)性波動(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益，新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式可以生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品為主，采用“新能2030年以后，電制氫及氫發(fā)電成本大幅下降，可作為新能源基地開(kāi)發(fā)的配套支撐電源，發(fā)揮長(zhǎng)時(shí)間尺度電力供需調(diào)節(jié)作用。此階段，各種協(xié)同模式下的綠色氫基產(chǎn)品生產(chǎn)成本逐步優(yōu)于煤和天然氣等方式制取 484 產(chǎn)品的成本，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)開(kāi)始顯現(xiàn)，同時(shí)，考慮未來(lái)單獨(dú)的綠電消納或是單獨(dú)綠色氫基市場(chǎng)的消費(fèi)能力增長(zhǎng)有限，從新能源基地開(kāi)發(fā)的整體收益最大化、產(chǎn)品（能源）多樣化的角度，新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)可多采用兼顧送電及生產(chǎn)綠色氫基產(chǎn)品的協(xié)同模式，即采用“新能源基地與規(guī)模化集中制氫一體化開(kāi)廣初期可優(yōu)先采用兼顧送電及生產(chǎn)綠氨的協(xié)同模式，遠(yuǎn)期依次推動(dòng)送電及生產(chǎn)綠氫并舉、送電及生產(chǎn)綠色甲醇并舉方式。新能源電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式應(yīng)用路電/氨并舉電/甲醇·并舉電/氫并舉電/氨并舉電/甲醇·并舉電/氫并舉Fig.20Schematicdiagramofthedevelopmentconceptfornewenergybasesbasedonelectricity-hydrogen-carbons新能源基地配套煤電實(shí)施富氧燃燒改造，電解水副產(chǎn)氧氣充分利用的情況下，碳捕集難度和碳捕集成本降低，以生產(chǎn)甲醇為主的電-氫-碳協(xié)同模式可提前02023年2030年2035年2040年2045電制甲醇(燃燒后捕集)電氫碳協(xié)同(富氧燃燒捕集)Fig.21Effectofmode2oxygen-richcombustiontechnologyonthecostofsyntheticmethanol新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)為全球新能源資源豐富、水電資源不足、高載能產(chǎn)業(yè)密集、能源轉(zhuǎn)型迫切的地區(qū)提供了新發(fā)展思路。從全球來(lái)看，亞洲西部與中部、非洲北部、南美洲西部等新能源資源富集且大面積覆蓋沙漠及戈壁的地區(qū)，適合率先示范新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)。三北地區(qū)是分布著中國(guó)84%的沙化土地和超過(guò)80%的風(fēng)光資源[4]，區(qū)域內(nèi)新能源基地化開(kāi)發(fā)潛力大、高載能產(chǎn)業(yè)密集，同時(shí)扶持新能源開(kāi)發(fā)和氫基產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策傾斜大、金融支持力度高，具備電-氫-碳產(chǎn)業(yè)協(xié)同的能源優(yōu)勢(shì)、原料來(lái)源、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和發(fā)展驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于高載能企業(yè)來(lái)說(shuō)，未來(lái)獲取優(yōu)質(zhì)低價(jià)穩(wěn)定的清潔能源是提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵，有益于推動(dòng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向高端化、多元化發(fā)展，提高附加值和產(chǎn)品價(jià)值，因此項(xiàng)目選址或?qū)A向選擇綠電、綠氫資源豐富的三北地區(qū)。預(yù)計(jì)未來(lái)，全國(guó)80%的綠氫生產(chǎn)集中在三北地區(qū)，2030年、2050年的綠氫生產(chǎn)需求分別超過(guò)800萬(wàn)t、6000萬(wàn)t，其中80%用于本地用氫，20%輸送到中東部地區(qū)。采用電-氫-碳協(xié)同的新能源開(kāi)發(fā)思路，初步測(cè)算三北地區(qū)2030年、2050年綠氫平均生產(chǎn)成本約為13元/kg、6~7元/kg，相對(duì)低30%~40%。按照1kg綠氫需要42~55kWh的用電需求折算，可帶動(dòng)新能源基地開(kāi)發(fā)12億kW，可支撐綠氫貿(mào)易營(yíng)收3200億元、氫基化工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值3100億元、綠色鋼鐵產(chǎn)量2億t，實(shí)現(xiàn)CO2減排12.5億t。在配套煤電機(jī)組低碳靈活改造方面，按照生產(chǎn)1t綠氫副產(chǎn)8t氧少可為2500萬(wàn)kW煤電提供富氧燃燒碳捕集所需氧氣，同時(shí)結(jié)合煤電氨摻燒技術(shù)，摻燒50%的碳排放強(qiáng)度降至400g/kWh，沙戈荒基地平均發(fā)電碳排放強(qiáng)度降至100~150g/kWh。2030年后，電-氫-碳逐步實(shí)現(xiàn)深度轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定可靠的電氫/氨/甲醇聯(lián)產(chǎn)基地，整體實(shí)現(xiàn)海外地區(qū)以沙特阿拉伯為例。當(dāng)前沙特阿拉伯電源裝機(jī)超過(guò)90%為火電，但新能源資源豐富，尤其是太陽(yáng)能，且其國(guó)土面積70%為沙漠，新能源基地開(kāi)發(fā)條件優(yōu)越，其2030年愿景提出了到2030年一半電力來(lái)自清潔能源的目標(biāo)。為助力實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，若采用新能源電-氫-碳協(xié)同發(fā)展，通過(guò)綠電與綠色氫、氨、甲醇的聯(lián)產(chǎn)，滿足國(guó)內(nèi)和出口需要。預(yù)計(jì)2050年沙特東部新能源發(fā)電綜合度電成本約1.6美分/kWh、制氫成本約0.9美元/kg，富余綠氫可就近通過(guò)達(dá)曼港海運(yùn)至南歐，到岸價(jià)格約2美元/kg，海運(yùn)至東亞地區(qū)的到岸價(jià)Vol.7No.5劉澤洪，等：電-氫-碳耦合促進(jìn)新能源基地開(kāi)發(fā)模式研究485格約2.5美元/kg，相對(duì)當(dāng)前歐洲、日本等地區(qū)和國(guó)家的綠氫價(jià)格具有顯著的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。初步測(cè)算，2050年沙特氫能生產(chǎn)總量約3820萬(wàn)t，本國(guó)用氫需求約320萬(wàn)t，氫能出口需求約500萬(wàn)t。按綠氫3美元/kg考慮，2050年沙特綠氫出口創(chuàng)匯可達(dá)到150億美元，相對(duì)2021年石油出口量，氫能出口可替代10%的石油出口規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用新能源支撐著全球清潔能源需求的快速增長(zhǎng)，也承載著促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)清潔低碳發(fā)展的重任。為實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)，深入研究新能源基地開(kāi)發(fā)模式、轉(zhuǎn)變新能源基地功能定位，擴(kuò)寬新能源基基于電-氫-碳協(xié)同的新能源基地開(kāi)發(fā)思路將綠色氫/氨/甲醇作為調(diào)節(jié)資源，不僅解決了偏遠(yuǎn)、水電資源不足地區(qū)零碳調(diào)節(jié)資源匱乏、電網(wǎng)支撐能力有限對(duì)新能源基地大規(guī)模開(kāi)發(fā)外送的制約，更利用綠氫與綠電相互轉(zhuǎn)化能力，擴(kuò)大綠電應(yīng)用領(lǐng)域，解決新能源電量消納困境；同時(shí)，電-氫-碳協(xié)同過(guò)程中綠氫及綠氨的零碳排、綠電合成甲醇對(duì)火電排放CO2的捕捉和再次利用，基本覆蓋了碳替代、碳減排、碳封存和碳循環(huán)等主要碳中和途徑，有助于全球相關(guān)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)深度未來(lái)，電-氫-碳協(xié)同發(fā)展將是中國(guó)大力發(fā)展綠色生產(chǎn)力的重要表現(xiàn)形式，針對(duì)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對(duì)滯后的三北沙戈荒地區(qū)實(shí)施新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)，為新能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)消納、周邊煤電的轉(zhuǎn)型提供了新思路，也有助于將低成本的新能源資源、綠氫資源轉(zhuǎn)化為吸引產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移、帶動(dòng)西部大開(kāi)發(fā)、振興東北等戰(zhàn)略實(shí)施的新動(dòng)力；放眼全球，在非洲北部、南美西部、中亞等“風(fēng)多、光富、少水”地區(qū)，多國(guó)政府已相繼將發(fā)展綠電、氫能列為國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略，有序推廣新能源基地電-氫-碳協(xié)同開(kāi)發(fā)模式，新能源資源將成為各國(guó)能源清潔轉(zhuǎn)型、發(fā)展跨國(guó)氫能貿(mào)易、增強(qiáng)國(guó)力、消除貧困的強(qiáng)心針，有望發(fā)揮更大的經(jīng)濟(jì)[1]辛保安，單葆國(guó)，李瓊慧，等.“雙碳”目標(biāo)下“能源三要the“threeelementsofenergy”towardcarbonneutrality[J].ProceedingsoftheCSEE,2022,42(9):3117-3126(inChinese).[2]全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織[3]全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織.全球清潔能源開(kāi)發(fā)與投資研究[M].北京：中國(guó)電力出版社，2020.[4]全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織.中國(guó)清潔能源基地化開(kāi)發(fā)研究[M].北京：中國(guó)電力出版社，2023.[5]葉林，屈曉旭，么艷香，等.風(fēng)光水多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)日內(nèi)時(shí)間尺度運(yùn)行特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2018，YELin,QUXiaoxu,YAOYanxiang,etal.Analysisonintradayoperationcharacteristicsofhybridwind-solar-hydropowergenerationsystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2018,42(4):158-164(in[6]劉澤洪，周原冰，李雋，等.中國(guó)西北西南電網(wǎng)互聯(lián)研究LIUZehong,ZHOUYuanbing,LIJun,etal.ThestudyoninterconnectionofnorthwestandsouthwestpowergridinChina[J].JournalofGlobalEnergyInterconnection,2023,6(4):341-352(inChinese).[7]劉澤洪，梁旭明，周原冰，等.基于新型抽蓄的綠色蓄能LIUZehong,LIANGXuming,ZHOUYuanbing,etal.Researchongreenwatertransferprojectwithenergystoragebasedonnew-typepumpedstorage[J].JournalofGlobalEnergyInterconnection,2022,5(6):525-534(inChinese).[8]范蕊.煤電與新能源共擔(dān)轉(zhuǎn)型重任[J].中國(guó)電力企業(yè)管理，F(xiàn)ANRui.Coal-firedpowerandn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