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1.电转气技术对未来多能源系统的意义
随着化石能源逐渐枯竭和环境污染问题加剧, 近年来许多国家加大了可再生能源发电的发展力度, 尤其是风力发电和太阳能发电, 以期缓解能源和环境问题。虽然这些可再生能源发展迅速, 但其发电出力具有间歇性和可控性差的特征, 其大量并网运行给电力系统运行的安全性和经济性带来很大挑战, “弃风”、“弃光”现象普遍存在。国家能源局指出, 2013年国内平均弃风率达11%, 国内光伏发电站被“弃光限电”的比例甚至高达40%, 可再生能源发电资源浪费严重, 这对可再生能源行业的发展带来了严重的负面影响。从根本上讲, 电力工业传统的“源-网-荷”结构难以承载大规模分布式可再生能源的接入, 亟需在结构和运行方式上进行变革。
未来能源系统变革的趋势之一是多种能源系统的互联互通, 实现包括可再生能源在内的各种一次能源、电能为主的二次能源以及各种终端能源在多个能源网络组成的复杂网络系统中紧密融合; 各种能源通过对应的能量转换设备转换能源形式(如气→电, 气→热等), 实现能源在不同物理系统中的双向流动; 充分利用各能源系统的传输设备和储能设备, 实现多种能源的综合交互与协调优化。
与现有的能源系统相比, 未来多能源系统在能源市场方面将会有很大区别:在目前的能源系统中需求侧对不同能源的需求一般难以相互替代, 而在多能源系统中消耗不同能源的负荷间可相互转换, 具有一定的可替代性; 需求侧可通过调整能源消费结构, 用多种形式的能源满足自身能源需求。
电能和天然气都是现有能源系统的重要组成部分, 而目前电力系统和天然气系统之间的耦合仅限于燃气轮机, 即天然气向电能单向转换。近年来出现的电转气(power to gas, P2G)技术则可能改变这一现状, 并为电能的大规模储存提供了新思路: 把富余的电能进行电化学反应后将氢气和二氧化碳制成人造天然气, 注入天然气网络, 从而可利用天然气储存设施进行大规模长时间存储, 进而有效提高电力系统在负荷低谷时段接纳间歇性可再生能源发电的能力。此外, P2G技术也可在输电线路阻塞时将电能转化为天然气, 通过天然气管道输往非阻塞区域的燃气机组进行发电, 从而避免或缓解系统阻塞。总而言之, P2G使电能和天然气之间可以相互转换, 促进电气网络和天然气系统的融合, 是未来多能源系统的重要技术之一。
2.多能源系统建模
能源中心建模方法是将多能源系统分解为多个低耦合的能源中心(Energy Hub)。每个能源中心由区域内一个或多个能源转换器 (如燃气轮机、电转气设备等) 组成, 多种能源在能源中心中互相转换, 满足对不同能源的需求。可用稳态能源转换效率描述能源转换器的性能。各能源中心之间相对独立, 通过多能源网络(电力网络、天然气管道和供热管道等)耦合。
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