在2025年，隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，制氫行業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。氫能作為一種高效、清潔的能源載體，其重要性日益凸顯。特別是在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，低碳、零碳制氫技術(shù)的發(fā)展成為實(shí)現(xiàn)綠色氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。本文通過對光熱-生物質(zhì)聯(lián)合制氫廠(STBIHPP)的雙層優(yōu)化運(yùn)行模型的研究，探討了在市場環(huán)境下如何提高制氫廠的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時促進(jìn)可再生能源的綜合利用。

  一、制氫廠運(yùn)行框架的構(gòu)建

  《2025-2030年中國制氫行業(yè)市場分析及發(fā)展前景預(yù)測報告》為提高光熱發(fā)電(CSP)系統(tǒng)的發(fā)電能力和促進(jìn)生物質(zhì)能及氫能等可再生能源的發(fā)展，提出了光熱-生物質(zhì)聯(lián)合制氫廠(STBIHPP)的運(yùn)行框架。該框架結(jié)合了槽式CSP系統(tǒng)和生物質(zhì)氣化發(fā)電制氫技術(shù)，通過能源互補(bǔ)特性，實(shí)現(xiàn)了高效的制氫和發(fā)電過程。STBIHPP的主要組成部分包括氣化爐、PSA裝置、儲氫罐、燃?xì)廨啓C(jī)(GT)、換熱器、生物質(zhì)輔助制氫電解槽和光熱發(fā)電系統(tǒng)。其中，光熱發(fā)電系統(tǒng)采用槽式熔鹽技術(shù)，能夠有效利用太陽能轉(zhuǎn)化為熱能進(jìn)行發(fā)電，同時GT產(chǎn)生的余熱可提高光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電能力，并為電解槽提供熱能消耗。

  二、制氫廠的雙層優(yōu)化運(yùn)行模型

  制氫行業(yè)環(huán)境分析提到在市場環(huán)境下，STBIHPP的運(yùn)行策略需要綜合考慮電力市場和氫能市場的特點(diǎn)。為此，構(gòu)建了一個雙層優(yōu)化運(yùn)行模型，上層目標(biāo)是最大化STBIHPP的利潤，下層目標(biāo)是最大化社會福利。通過Karush-Kuhn-Tucker(KKT)條件，將雙層模型轉(zhuǎn)化為單層模型，并進(jìn)一步使用分段McCormick近似等方法將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二階錐規(guī)劃(MISOCP)模型，以便于求解。

  (一)上層模型：STBIHPP競價模型

  上層模型的目標(biāo)是最大化STBIHPP的利潤，其目標(biāo)函數(shù)考慮了電力和氫能的銷售收入以及運(yùn)行成本。運(yùn)行成本包括生物質(zhì)收購成本、發(fā)電補(bǔ)貼成本、熱鹽罐和儲氫罐的充放能成本、電解槽和PSA裝置的運(yùn)行成本等。通過優(yōu)化電力和氫能的輸出，STBIHPP能夠在兩個市場中獲得最大化的利潤。

  (二)下層模型：市場出清模型

  下層模型包括電力市場和氫能市場的出清模型。電力市場出清模型采用直流潮流模型，考慮了發(fā)電機(jī)的出力約束、線路傳輸容量約束和爬坡約束。氫能市場出清模型則基于Weymouth方程，描述了氫氣流量與節(jié)點(diǎn)氣壓的關(guān)系，并考慮了氫能供應(yīng)商的出力約束、管道流量約束和節(jié)點(diǎn)氣壓約束。

  三、制氫廠的運(yùn)行策略分析

  通過仿真分析，驗(yàn)證了所提模型的有效性。在不同市場環(huán)境下，STBIHPP的運(yùn)行策略表現(xiàn)出顯著的適應(yīng)性和靈活性。例如，在電力市場中，STBIHPP能夠根據(jù)電價和負(fù)荷變化調(diào)整發(fā)電量;在氫能市場中，STBIHPP能夠根據(jù)氫價和氫負(fù)荷變化調(diào)整制氫量。此外，生物質(zhì)輔助制氫技術(shù)的應(yīng)用有效降低了電解槽的能耗，提高了制氫效率。通過合理利用余熱，STBIHPP在冬季的收益提高了約27%，在夏季的收益提高了約7.3%。

  四、制氫廠的適用性分析

  為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的適用性，采用改進(jìn)的IEEE-118節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)和14節(jié)點(diǎn)氫網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)測試。結(jié)果表明，STBIHPP在大規(guī)模系統(tǒng)中同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效的運(yùn)行和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。這表明所提出的雙層優(yōu)化運(yùn)行模型具有良好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，能夠?yàn)椴煌?guī)模的制氫廠提供有效的運(yùn)行策略。

  五、總結(jié)

  本文通過對光熱-生物質(zhì)聯(lián)合制氫廠(STBIHPP)的雙層優(yōu)化運(yùn)行模型的研究，提出了一種在市場環(huán)境下提高制氫廠運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益的新方法。通過構(gòu)建運(yùn)行框架和雙層優(yōu)化模型，STBIHPP能夠有效利用可再生能源進(jìn)行制氫和發(fā)電，并在電力市場和氫能市場中實(shí)現(xiàn)靈活的運(yùn)行策略。仿真結(jié)果表明，該模型能夠顯著提高STBIHPP的能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益，特別是在余熱利用方面表現(xiàn)出色。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和市場的逐步成熟，STBIHPP有望在制氫行業(yè)中發(fā)揮更重要的作用，為實(shí)現(xiàn)綠色氫能經(jīng)濟(jì)做出更大貢獻(xiàn)。

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