面向零碳园区的综合能源系统优化运行技术综述

行技术综述双碳背景下,零碳园区级综合能源系统成为我国节能降碳、提质增效政策的重点2零碳园区级综合能源系统的优化运行研究现状、关键技术与未来发展趋势2产业园区的碳排放困境技术集成难度高:不同企业生产工艺和能源消耗方式差异大储能和供能平衡难:储能技术成本高、效率有限运营管理难度大:能源使用实时监测控制困难综合能源系统的解决方案综合能源系统(IES)具有源网荷储/体化、多能互补、供需协调等特点，为零碳园区的实现提供了可能性2通过充分利用各种能源子系统在时间和空间上的能源采集阶段工业园区采集天然气、太阳能、地热和风能等可再生能源,为后续能源生产奠定基能源转换阶段使用热泵、电冷却器和吸收式冷水机等能量转换装置,将能量转换为适合使用02能源生产阶段利用燃气轮机/锅炉或光伏板等能源生产设备,将采集的自然能源转化为可用能量形04能源存储阶段剩余能量利用电池、氢罐等储能装置存储,实现能源的时空平移和削峰填谷2能量层根据系统内部多能耦合关系,通过能量平衡约束和经济目标引导等模型,确定能量调度策略可行为满足碳交易配额要求,建立包含"能量层-能量层根据系统内部多能耦合关系,通过能量平衡约束和经济目标引导等模型,确定能量调度策略可行碳流层通过对系统中的碳排放量进行约束和监测,确保碳排放量不超过预设标准,从而满足碳交易配额管理层作为综合能源系统调度控制中心,管理系统碳排放与能量生产,根据能源市场和碳交易市场需求制定合理调度策略。优化运行综合能源系统主要是对能量层进行能源流动控制,经典的综合能源系统能量层可分为供应侧、转化侧、输送侧和用户侧四大类别2转化侧技术转化侧技术冷热电三联供(CCHP)供应侧技术用户侧技术用户侧技术用能行为优化输送侧技术零碳园区优化运行机制设计工业园区将经历从低碳到零碳的发展过程2在零碳阶段,政策主导的机制设计和技术创新成为研究热点2零碳并算、碳管理的整体系统2碳足迹机制通过制定碳排放标准、监测碳排放情况、制定减排计划等措施,减少个人或季节性碳交易机制侧重制定碳交易规则、建立碳交易平台、制定碳交易价格,通过市场化手段优化碳交易费用的全寿命周期成本2绿电运行机制多类型能源市场价格传导机制通过制定多类型能源市场机制、优化能源系统运行策略,提高综合能源系统运行可靠性并降低运行成本2氢储能多能联供将氢储能作为能量转换枢纽,建立氢储能多能联储联供模型,实现投资运行成本以及碳冷热流数据分析建立冷热流供需数据库,对工业园区碳排放数据进行深入分析,实现园区内部碳中和2循环经济实施通过混合整数线性规划,实现资源消耗最小化、材料再利用最大化的循环经济模式2可持续发展目标考虑能源贫困问题,结合案例数据分析,符合《巴黎协定》和《2030年议程》的可持方法设计和模型构建是零碳园区级综合能源系统优化运行的两个重要方面2系统可采用多能源协同、灵活调度能源、能源互联网等方法提高能效和经济性2热电联产系统组合调度采用模拟算法处理风力发电影响,实现热电联产系统的优化组合和调度模拟,降低波动性新能源对系统运行的影响2稳健优化方法针对可再生能源间歇性和负荷不确定性,采用两阶段拉格朗日松弛迭代算法及交叉熵算法,实现冷热电联产系统稳健优多能源协同优化考虑碳排放的多能协同优化,使用多目标粒子群优化算法,实现电力、热能、气体等多种能源的协同优化运行2能源互联网优化建立多能流耦合模型,实现能源互联网中不同能源系统间的互动,提高整体系统运模型类型双向峰谷电价优化模型乘法进行求解2双层次组合优化低碳调度模型双层分散低碳优化调度模型用分析目标级联方法2零碳排放模型满足各类约束条件下实现系统经济性、低碳性和可靠性的综合优化2YALMIP工具箱、CPLEX求解器等专业软件进行求解，为园区的实际运行提供决策支持2综合能源系统和零碳园区的互动发展可以实现技术与应用的双赢,同时推动可持续能源发展和生态文明建设2零碳园区是电、热、冷、氢、天然气多种能源的集成利用,对应多个供能网络2通过智能电网技术实现电力的高效传输和分配,支持可再生能源并网和分布式发电2冷网系统采用吸收式制冷和冰蓄冷技术,提供高效的冷能供应口口口口口口口口热网系统利用余热回收和热电联产技术,实现热能的梯级利用和高效供应2气网系统整合天然气、氢气等气体能源,通过电转气技术实现能源角度分析多个供能网络的耦合元件是零碳园区供能网中能量相互转化的核心组件,也是多供热电联产机组:将天然气转化为热能和电能,实现电力-天然气-热网的多网耦合碳捕集装置:捕获二氧化碳用于生产天然气,形成零碳闭环技术角度分析碳捕集技术将CO2进行"富集",电转气技术将电能转化为可燃气体化储能技术应用由于电能便于传输转换但不能大量储存,采用储氢或储热等方式进行能源将多余电力转化为氢气储存,节约能源,为能源网络留出富余容量。在负荷低谷期,将可再生能源多余出力转化为氢气和天然气进行存231231负荷低谷期风能和太阳能等可再生能源的多余出力被电转气的转换并进行存储2通过储能技术实现能源的负荷平衡期系统处于稳定运行状态,各类能源按照预定策略供测并微调各设备运行状态2负荷高峰期热电联产机组、燃料电池和其他储能装置释放电零碳园区级综合能源系统融合特点从能量具有多能互补、互联互济等特点的角度看,零碳园区级综合能源系统展现出四大核心特点,这些特点共同支撑着零碳园区的可持续发展2灵活性综合能源系统提供稳健、综合、灵活的能源互联系统,实现更高效的能量交易,充分零碳性/方面增加清洁能源占比代替化石能源,减少CO2排放;另/方面依靠碳捕集技术增现可持续能源供应2可靠性系统可大规模接纳分布式能源,采用联合储氢、热储能技术,将多余电能转换为氢气或热能,有效降低弃风弃光现象,提高可再生能源利用率和供能可靠性2可扩展性模块式划分的综合能源系统可根据区域面积形成单独或联合供应,适应各种能源网络、能源交换和储存模块2特别对偏远地区能源孤持正常供给2供需方动态博弈机制博弈特点分析园区级综合能源系统的"供需方动态博弈"是指能源供给方(区域电网、公用事业等)和需求方(建筑、企业等)之间互相影响的博弈过程,是系统运行过程中的重要和复杂问题2关键挑战多方协调复杂性涉及多种能源类型、转换技术和利益相关方,各方需求、供给计划和运行方式不断变化,需要灵活协调优化并在动态博弈中取得平衡2。信息不对称问题供给侧和需求侧存在信息不对称、利益矛盾2供给侧可能选择更影响需求方选择和使用,需合理分配各方风险和利益2解决路径2.设计合理调度策略,使供需方在实现自身利益同时高效参与系统运行3.采用智能化能源管理系统和储能技术,优化能源利用4.制定合理政策法规,引导供需方在能源利用、价格形成方面的行为需求响应模型需求响应模型经济模型市场机制设计市场机制设计非合作博弈模型多能耦合使综合能源系统在不同能源部门之间通过多能源互补和切换提高供应可靠性,通过优化多能源基础设施配置和能源级联利用提高运营效率,将碳排放控制在低水能源转换技术需求响应技术多能协同规划统筹考虑各类能源的规划设计,实现整体优化配置2多类型储能技术电储能、热储能、气储能、蓄冷等多种储能形碳捕集技术燃烧前/后捕集、富氧燃烧等技术实现碳的捕获和系统监测与优化智能化监测技术、大数据分析实现系统实时优化调储能作为综合能源系统优化运行关键技术之/,可对时间和空间分散的能源进行集中,使其更加灵活地应用于能源供应2随着多能互补技术发展,混合储能在园区综合能源包括锂电池、液流电池等包括锂电池、液流电池等,响应速度快,适合短时调峰和频率调节2热储能热储能利用相变材料或显热储存,将多余电力转换为热能,成本低廉且容量大2气储能气储能氢气和天然气储能,能源密度高,可实现长周期、大混合储能系统优势混合储能系统优势压缩空气混合储能:结合机械储能和热储能,效率高、寿命长氢能-天然气混合储能:氢气能源密度高,与天然气混合提高灵活性电-气-热混合储能:多能互补,提高系统整体储能效率和经济性蓄冷储能目前工业常用热储能和气储能,将多余电力转换为热储能系统改进与创新应用氢储能多能联供系统构建"绿电-氢能-工业"耦合复杂为工业园区提供清洁高效的能绝热压缩空气储能技术负荷需求特点和控制碳排放总术为系统优化调度提供新的储5G基站储能系统融合将5G基站能量储存系统与区域模型优化区域能源系统的能源利用5G基站分布广泛、储能设统灵活性和经济性2燃烧前捕集燃烧前捕集将碳从燃料中脱除,包括碳替代(替代碳源)技术在燃料使用前就进行碳的分离和处富氧燃烧脱碳将锅炉燃烧的部分烟气与氧气混合成新混合气,替代原来的空气作为燃料氧化剂,使燃烧产燃烧后捕集主要研究方向系统优化设计针对工业园区低成本碳集成网络系统优化设计,综合分析碳源、碳利用和碳储存方案以及碳捕获、分离、压缩和传输方案2可持续发展技术性、减排和安全是优先发展方向2运营管理创新从能源供给和消费侧角度,梳理碳捕集系统的运营与管理技术、运营成本、管理模式,分析碳捕集在能源低碳化中的作用2面临的关键挑战经济性挑战技术性挑战大规模部署的关键2环境与政策需确保地质储存安全性,建立健全法律法规和市场机制,促进多能协同规划设计技术以目标区域的经济、资源现状为依据,确定区域内各种能源资源的最优分配和能源转换技术的最优组合2多能优化运行技术通过随机优化运行方法、建立运营优化模型等方式实现智能调度2优化调度方向最优经济运行模型优化调度方向最优经济运行模型:实现能源提供者、促进者和消费者的合理能源配置,降低系日前运行优化方法:考虑能源储存额外潜在效益的不同时间尺度的协调优化2优化设计方向优化设计方向多目标组合设计工具:将建筑能源系统的设计与面向控制的优化相结合,实现设计阶段的系统性能预测2选址优化方法:基于选址优化的综合能源系统管网布置方法,解决规划中缺乏有效能源站选址优化和负荷特性考虑的问题2新型混合系统结构:设计新型混合冷热电联产系统结构,灵活处理动态电源供提高系统适应性2从传统到综合需求响应传统需求响应主要针对单/能源进行供需调整,而零碳园区综合能源系统的需求响应不仅包括单/能源供需平衡,还需考虑不同能源间的协同配综合需求响应通过信息化技术和智能控制,实现能源高效利用和系统智能实现机制与关键技术负荷分析与预测考虑用户需求、能源价格、供应等因素,实现综合需求响应的动态调整和优激励机制设计基于能源电价和供需平衡的动态优化调度策略,实现多能协同和综合优化2建立分层次综合需求响应策略,包括快速响应、时段响应和季节响应2关键挑战:如何提升用户侧需求响应参与度及其评估精度,尤其是对于零碳园区级综合能源系统,其负荷供应可靠性要求和碳排放约束使需求响应实现更加困难。为实现能源系统的监测与优化,需要建立能源监控和管理系统来实时监测和控制园区综合能源系统智能化监测和优化技术通过物联网、大数据、人工智能等技术手段,实现对综合能源系统的实时监测和分析,提高供能效率和可靠性2融合工业控制、能源管理、智能化技术等多个领域,实现系统全面监测多能源协同调度技术建立能源系统的协同调度模型,实现多能源之间的时空出力差异互补和能效优化,最大程度利用各种资源,提高系统运行经济性和低碳水平2从能源监测、评估、优化和基准能源供需侧管理技术通过对能源供给侧和需求侧进行管理和优化,实现能源的可持续发展和节能减排2数据分析等技术手段,为系统运行提供决策支持,提高系统效率和可靠性2建筑节能和智能化技术通过建筑节能和智能化技术的应用,实现建筑能源的高效利用,系统、能源管理平台等技术,实现建筑与能源系统的深度融合和协同优化2零碳园区面临的核心挑战挑战/:全方位融入零碳理念新建零碳园区规划主要矛盾是碳排放红线和高昂投资成本(储能、碳捕集等)之间的矛规划最大化零碳园区效益至关重要2明确碳中和目标设计者首先明确碳中和作为首要目标,将其贯穿整个规划过程202协调全生命周期协调零碳园区整个生命周期的建设目标和运营管理,共同实现零碳排放2整合多维理念将能源管理、生产物流、经济效率和以人为本理念整合到系统框架中204制定运营规则现存园区改造升级将现存园区改成零碳园区有更大实践意义,但存在技术、成本障碍2基础设施老化问题基础设施老化问题传统园区的电力系统、网络系统、服务系统、数据中心等基础设施老化,缺信息管理水平低传统园区信息分散、滞后信息管理水平低传统园区信息分散、滞后,节能管理水平低,不同园区间差异大,不存在可复制碳排放底数不清碳排放底数不清老园区能耗和碳排放底数不清,实施数字化降碳评估较为困难,缺乏基础数据解决方案:对现存园区进行分类(三高、三低、混合型),针对不同类型园区提出差异从能源角度对园区建成后的运营和管理制定详细规则2碳排放研究技术固碳生态固碳测量工业园区碳排放来源(直接排放和间接排放),通主要应用生物能源与CCUS、可再生能源抵消等技主要靠森林、绿地等植物光合作用进行固碳,如植被过碳税、碳市场机制控制排放,发展负碳技术和可再种植和公园建设,成本低但固碳量有限2零碳园区未来发展趋势趋势/数字化将成为零碳园区未来发展趋势,可帮助园区实时物联网技术对园区内能源生产和使用数据进行全面感区、企业碳排放监测平台,实现设备、生产线、企业、园区四位/体的可视化管理2通过数字化实现远程抄表、能源分析、高效管理等,全面把控现存老旧园区能源使用情况,实现用能和碳排放的精细化管理2趋势二:社会环境因素/体化工业园区是园区、政府、企业、公众等多个利益相关者