英國華威大學(xué)開展壓縮空氣儲能用于電力系統(tǒng)脫碳的經(jīng)濟(jì)性分析
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技術(shù)領(lǐng)域：壓縮空氣儲能經(jīng)濟(jì)性
開發(fā)單位：英國華威大學(xué) Wei He
技術(shù)突破：提出了壓縮空氣儲能（CAES）與太陽能、風(fēng)能聯(lián)合替代化石燃料發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃框架，并驗證了CAES作為大規(guī)模儲能裝置進(jìn)行電力系統(tǒng)脫碳的可行性。結(jié)果表明，以2018年發(fā)電量為例，相比化石燃料，耦合系統(tǒng)在增加29%成本的前提下可減少84%碳排放。
文章名稱：Wei He, Mark Dooner, Marcus King, et al. Techno-economic analysis of bulk-scale compressed air energy storage in power system decarbonisation. Applied Energy, 2020.
應(yīng)用價值：減少碳排放、提高能源利用效率和降低電力部門的脫碳成本。
為了在本世紀(jì)中葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放目標(biāo)，化石燃料必須在未來幾十年內(nèi)進(jìn)行脫碳。大規(guī)模儲能被認(rèn)為是一項關(guān)鍵技術(shù)，用于克服因化石燃料發(fā)電量減少而導(dǎo)致的可調(diào)度性降低。以往對先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)（A-CAES）的研究主要集中在提高A-CAES在一個或多個特定電力市場或微電網(wǎng)系統(tǒng)中的存儲性能或優(yōu)化調(diào)度上。作為一種很有前途的大規(guī)模儲能技術(shù)，CAES利用現(xiàn)有地質(zhì)資源進(jìn)行國家級電力系統(tǒng)脫碳潛力的評價存在很大的知識空白。
本研究以英國電力系統(tǒng)為例，對大規(guī)模CAES的地質(zhì)資源進(jìn)行了評價，提出了CAES與太陽能、風(fēng)能聯(lián)合替代化石燃料發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃框架。利用地下鹽穴的真實地理數(shù)據(jù)，結(jié)合電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析基于鹽穴的CAES在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)電力脫碳的可能性，探討壓縮空氣儲能作為大容量儲能在降低整個電力系統(tǒng)碳排放的成本效益。在盡可能減少碳排放的同時，利用太陽能、風(fēng)能和CAES滿足國家級電力系統(tǒng)電力需求的技術(shù)潛力和經(jīng)濟(jì)成本。
本研究提出了三種系統(tǒng)方案：a）當(dāng)前化石燃料電力系統(tǒng)；b）沒有儲能的低碳系統(tǒng)；c)存在CAES的低碳系統(tǒng)。系統(tǒng)b從系統(tǒng)a中脫碳是由于使用低碳的太陽能和風(fēng)能來替代化石燃料，太陽能和風(fēng)能的增加可以顯著減少化石燃料的使用。由于系統(tǒng)b中增加的太陽能和風(fēng)能的總發(fā)電量與系統(tǒng)a中化石燃料的原始發(fā)電量相同，電力系統(tǒng)成本主要取決于低碳能源的利用率（或削減率），以及低碳能源與化石燃料之間的平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）和碳密度的差異。由于太陽能和風(fēng)力發(fā)電的LCOE低于化石燃料（包括天然氣和煤炭），當(dāng)削減率較低時，增加的電力系統(tǒng)成本較低。然而，當(dāng)電力系統(tǒng)進(jìn)一步脫碳時，隨著削減率的大幅增加，系統(tǒng)b的脫碳成本迅速增加。因此，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)的深度脫碳，大容量儲能的價值在于降低脫碳成本。當(dāng)脫碳率為98.5%的情況下，系統(tǒng)b與系統(tǒng)a相比，通過簡單的燃料更換，系統(tǒng)平均平準(zhǔn)化電力成本（LCOUE）大約增加了三倍。相比之下，為了達(dá)到相同的脫碳率，使用CAES作為大規(guī)模儲能裝置可以顯著降低脫碳成本。
圖1本研究的A-CAES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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技術(shù)突破：將熱經(jīng)濟(jì)性計算方法應(yīng)用于基于多級絕熱壓縮空氣儲能的區(qū)域微能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中，驗證了該方法的有效性及其在優(yōu)化調(diào)度中應(yīng)用的方便性。
文章名稱：Xin Ma, Chenghui Zhang, Ke Li, et al. Optimal dispatching strategy of regional micro energy system with compressed air energy storage. Energy, 2020.
應(yīng)用價值：提出的基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的調(diào)度策略和初始儲能優(yōu)化結(jié)果為壓縮空氣儲能在多能源利用場景中的應(yīng)用提供了理論支持，為計算系統(tǒng)的投資成本、效益和回收期提供了參考。
區(qū)域微能源系統(tǒng)（RMES）能夠滿足用戶的多種能源需求，實現(xiàn)可再生能源的可容納性，是一種非常有前景的能源利用方案。本研究設(shè)計了一個整合多級絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)（MACAES）的RMES，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)由分布式電源裝置（電網(wǎng)、風(fēng)電場和光伏發(fā)電廠）、制冷裝置（電冰箱和吸收式制冷機(jī)）、以天然氣為原料的燃?xì)忮仩t加熱裝置和儲能裝置（CAES和熱能儲存裝置）組成。MACAES的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。它由壓縮子系統(tǒng)、膨脹子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)和高壓儲氣子系統(tǒng)組成。
根據(jù)RMES的特點，結(jié)合MACAES的大容量優(yōu)勢，提出了一種優(yōu)化調(diào)度策略，通過壓縮空氣儲能實現(xiàn)能源供應(yīng)的削峰填谷，增加生產(chǎn)、分配、消耗、儲存，將系統(tǒng)的冷、熱、電等多能源部件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)節(jié)能，滿足用戶的多能源需求。為了討論MACAES在不同工況下的運行特性，基于熱經(jīng)濟(jì)評價方法分析了在不同壓縮和膨脹功率值以及不同儲氣罐儲能值SOEg下，MACAES的儲能、儲熱、發(fā)電和制冷的價格變化。因此，以基于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的系統(tǒng)最小供能成本為優(yōu)化目標(biāo)，建立了考慮MACAES供能特性、各循環(huán)周期儲氣罐儲能平衡約束、系統(tǒng)能量平衡約束的雙層優(yōu)化模型，以及各分供設(shè)備的能源供應(yīng)約束?；跓峤?jīng)濟(jì)性評價的優(yōu)化目標(biāo)與能源供應(yīng)效率和經(jīng)濟(jì)性有機(jī)耦合，將運行效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性兩個優(yōu)化目標(biāo)合二為一，消除主觀選擇權(quán)重值的影響，以獲得折衷解作為優(yōu)化結(jié)果。這使得計算更簡單，優(yōu)化結(jié)果更客觀。
針對優(yōu)化模型數(shù)據(jù)量大、非線性程度高，降低了模型求解速度的問題，通過改進(jìn)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，采用基于CPU的并行計算方法，提高了求解速度。根據(jù)夏季和冬季的典型工況，得到了各設(shè)備的小時出力狀況。優(yōu)化結(jié)果表明，MACAES在低價期儲能，在高價期釋能，削峰填谷，實現(xiàn)盈利，降低運營成本?；谶@些優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)分時電價和熱經(jīng)濟(jì)發(fā)電電價，分析了MACAES的最優(yōu)儲能期和最優(yōu)發(fā)電效益期，并結(jié)合熱經(jīng)濟(jì)性分析，對儲氣罐初始時刻不同SOEg值對系統(tǒng)供能成本的影響進(jìn)行了優(yōu)化分析，從而確定壓縮空氣儲能的最佳初始儲能，實現(xiàn)效益最大化。
圖2 MACAES-RMES結(jié)構(gòu)設(shè)計框架
圖3 MACAES結(jié)構(gòu)圖
