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摘 要

Abstract 2

第一章 引言 3

1.1研究背景和研究意义 3

1.2国内外发展现状 3

第二章 制氢方式比较 4

1.1水解制氢 4

2.1.1水电解制氢 4

2.1.2风电/光电电解水制氢 4

2.1.2.1碱性电解水电解制氢 5

2.1.2.2固体聚合物电解水制氢（SPE） 6

2.1.2.3高温固体氧化物电解水制氢（SOEC） 7

2.3 化石燃料制氢 7

2.3.1 天然气制氢 8

2.3.2煤炭制氢 9

2.3.2.1煤气化制氢 9

2.3.2.2煤焦化制氢 9

2.4生物质制氢 9

2.4.1生物质气化制氢技术 10

2.4.2生物质热解制氢 10

2.5甲醇水蒸气转化制氢 11

2.6制氢方式比较 11

第三章 氢能应用分析 13

3.1氢-移动燃料 13

3.2氢-工业 14

3.2.1氢能在石油化工领域的应用 14

3.2.2氢气在钢铁工业领域的应用 15

3.3氢-天然气管道 15

3.4氢-电 16

3.5氢-甲烷 18

3.5.1氢-甲烷-天然气管道 18

3.5.2氢-甲烷-电 19

3.5.3氢-甲烷-工业 19

3.6氢能应用模式总结 20

第四章 电力-天然气耦合综合能源规划模型 21

4.1综合能源系统概述 21

4.2目标函数 21

4.3约束条件 23

4.3.1电力网络安全运行约束 23

4.3.2天然气网络约束 24

4.3.3电力天然气系统耦合约束 24

4.4数学模型概括 25

第五章 算例分析 26

第六章 结束语 27

致谢 28

参考文献（References） 29

附录 1

多种电转气应用模式技术经济分析与气电耦合运行综合效益评估

摘要

近年来，环境问题日益严重，化石能源日益枯竭，人们对能源的关注逐渐由不可再生能源转向可再生能源，尤其是可再生能源发电发展十分迅速。随着科技的进步，一方面是可再生能源发电机组的扩张，容量也在不断的增大，另一方面，电网的基础设施的建设还很落后，因此可再生能源发电季节性问题越来越严重。这样的话，弃水没有办法被电网消纳，电力系统单方面的协调规划已经无法满足需求。^[1]本文分析研究了各种制氢方式、氢能应用方式，并对其中的一种广受推崇的电力-天然气系统耦合的应用模式进行建模分析。该系统由P2G机组实现电力系统和天然气系统的耦合，实现“弃水”消纳，转化为可再生天然气，通入现有天然气管道。通过分析计算电-气耦合运行的成本，与电-气解耦运行下电力系统的成本比较，意在实现电力系统运行成本最低化，并实现环境成本最低化。

关键词：电转气；电力-天然气耦合；运行成本。

Technical and Economic Analysis of Various Power-to-gas Application Modes and Comprehensive Benefit Evaluation of Gas-electric Coupling Operation

Abstract

In recent years, environmental problems have become increasingly serious, and fossil energy has become increasingly exhausted. People's attention to energy has gradually shifted from non-renewable energy to renewable energy. In particular, the development of renewable energy power generation has been very rapid.With the progress of science and technology, on the one hand, the capacity of renewable energy generating sets is constantly increasing. on the other hand, the infrastructure of the national power grid is not much improvement.So renewable energy generation is more and more seasonal.In this way, excess water cannot be absorbed by the grid, and the unilateral coordinated planning of the power system can no longer meet the demand.This article analyzed the form of hydrogen production, hydrogen application way, a widely respected and the coupling model of the application of power - gas system modeling analysis. In this system, P2G plant realize the coupling between the power system and the natural gas system, realize the "waste water" consumption, convert it into renewable natural gas, and contact with the existing natural gas pipeline. By analyzing and calculating the cost of power-gas coupling operation and comparing it with the cost of  power system under power-gas decoupling operation, this paper aims to minimize the operating cost of  power system and the environmental cost.

Key words: power to gas,Electricity-natural gas coupling,Running cost.

引言

1.1研究背景和研究意义

时代在不断进步，环境的问题受到越来越多国家的关注，人们对能源需求的目光从化石能源转向风能等可再生能源。但是可再生能源（比如风能）大多依赖于季节变化，不满足电网的稳定性需求。随着可再生能源的高速发展，装机容量的不断扩大，电能的储存需求也日益扩张，“弃水”、“弃风”等问题日益加重。未来，能源系统耦合，实现能源系统综合利用才是发展之道。近年来，一种实现电网、天然气网双向耦合的新型的大规模储能技术备受关注和推崇：电转气P2G（Power to Gas），不仅可以利用风能，水能，还能同时减排CO₂，对于环境保护十分有益。同时可以通过利用氢气到甲烷的大量放热过程提高P2G技术的经济效益。利用电转气技术实现能量存储时，在规模和时间方面都具有可观效益。一旦商业化广泛应用，那么以以可再生能源为一次能源的能源网络系统实现广泛互联共享，将迈出极为重要的一大步。

1.2国内外发展现状

目前，以德国为首的欧洲部分国家电转气技术应用已十分成熟，德国已有三十多家电转气工厂。可再生天然气的生产由于技术不够成熟成本较高，综合考虑该项技术带来的环境效益（CO₂减排、O₂生成及热效益）和技术成本在商业化后期的降低，可再生天然气的生产成本将大大降低。预计2050年，欧盟每年再生能源产气量将达到1200亿立方米，节省成本约1380亿欧元，CO₂减排量预计2000万吨以上。我国对该技术的研究利用处于初步阶段，目前我国对该技术十分感兴趣且迫切需要，一旦投入应用，可再生天然气产量预计可以满足整个上海市整年的需求。

目前电解水制氢主要有三种方法，分别是固体氧化物电解、碱性电解和聚合物电解质膜。碱性电解最大的缺点在于使用的电解质的高度腐蚀性，因此需要较高维修费用，电解槽使用寿命在30年左右。PEM的优点在于冷启动较快、灵活性较高以及与动态和间歇系统耦合性更好且生产的氢气纯度很高，但使用寿命也不高。SOEC是处于实验阶段的新发展起来的电解技术。预计目前，碱性电解的支出将明显低于聚合物电解质膜。因此，质子交换膜电解技术和固体氧化物电解很需要进一步的发展去满足日益增长的商业需求，电解池的寿命也需要提高。而且为了满足商业性，电转气技术还需要满足大规模，长周期的性能，发电比例需要大幅提升。制度上，需要国家给予政策支持，并积极与国外合作，大力发展。

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