本發(fā)明屬于光伏制氫經(jīng)濟性分析領(lǐng)域，涉及一種光伏制氫枯竭天然氣儲氫系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析方法。

背景技術(shù)：

1、氫氣存儲是光伏制氫項目的重要構(gòu)成，目前常用的儲氫方式是采用金屬儲氫罐的高壓氣體儲氫。然而，由于氫氣分子特性導(dǎo)致其與金屬的氫脆現(xiàn)象使得儲氫罐材料需采用抗氫脆材料和界面涂層，高昂的儲氫成本導(dǎo)致光伏制氫系統(tǒng)成本上升，因此，如何降低儲氫成本以進行大規(guī)模氫氣存儲是光伏制氫規(guī)?；叫杞鉀Q的關(guān)鍵問題。最近，氫氣地質(zhì)儲存的可行性評估已經(jīng)引起了全世界各研究機構(gòu)的關(guān)注。常見的氫氣地質(zhì)儲存方案包括地質(zhì)鹽穴與枯竭的氣藏。不同的儲存地點有不同的特點，以適應(yīng)不同的用途。

2、枯竭的氣藏也是各種氣體較為理想的儲存地。作為以前的地質(zhì)碳?xì)浠衔锏某练e處，這些儲層具有大規(guī)模的多孔介質(zhì)和不滲透的密封空間。此外，這些儲層的地質(zhì)特征已被詳細(xì)描述，而且現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施減少了初始資本投資。同時，儲層中的殘余氣體可以作為緩沖氣體，減少所需的緩沖氣體量。然而，在設(shè)計氫氣地質(zhì)儲層時，必須仔細(xì)考慮許多因素。儲層巖石礦物學(xué)的異質(zhì)性和巖石的潤濕性對整個氫氣儲存過程有重大影響，包括注入率、提取率和儲存耐久性。此外，微生物的存在可能會消耗氫氣并產(chǎn)生其他氣體，從而減少儲存量并降低氫氣純度。例如，硫酸鹽還原菌可以利用硫酸鹽和氫氣來產(chǎn)生硫化氫。甲烷菌將co2和氫氣轉(zhuǎn)化為甲烷和水。其消耗效率取決于許多因素，包括溫度、壓力、反應(yīng)類型、鹽水鹽度、營養(yǎng)物質(zhì)、ph值和抑制劑，這使得氫氣的消耗量難以量化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、1.所要解決的技術(shù)問題：

2、提供一種光伏制氫枯竭天然氣儲氫系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析方法，可以對采用枯竭天然氣藏儲氫的光伏制氫系統(tǒng)進行經(jīng)濟最優(yōu)的容量配置優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上展開全生命周期視角下的技術(shù)經(jīng)濟學(xué)分析。

3、2.技術(shù)方案：

4、為了解決以上問題，本發(fā)明提供了一種光伏制氫枯竭天然氣藏儲氫系統(tǒng)的經(jīng)濟性分析方法，其特征在于：包括如下步驟：

5、步驟1：根據(jù)現(xiàn)實枯竭天然氣藏的儲氣量與埋深分布，進行簡化枯竭天然氣藏儲氫庫物理模型構(gòu)建。

6、所述天然氣藏儲氫庫表示為一個均勻的圓柱體，包括頂部安全支柱、儲氫庫頸部以及儲氣庫圓柱形腔室，氫氣管道由天然氣藏儲氫庫的頂部延伸至底部注氣，底部注入的氫氣經(jīng)過天然氣層內(nèi)部大量的孔隙填充至整個圓柱形腔室內(nèi)，同時儲氣庫的頂部設(shè)有另一個緩沖氣體管道。

7、步驟2：構(gòu)建完成天然氣藏儲氫庫的物理模型后，根據(jù)假設(shè)模型參數(shù)對儲氫庫的最大儲氫壓力與最大儲氫容量進行計算，在此基礎(chǔ)上得到其單位儲氫成本。

8、步驟3：對光伏制氫枯竭天然氣儲氫系統(tǒng)進行整體建模，包括能量模型與成本模型。

9、步驟4：對光伏制氫枯竭天然氣藏儲氫系統(tǒng)進行采用混合整數(shù)線性規(guī)劃的容量配置優(yōu)化，設(shè)置系統(tǒng)直流功率平衡約束、交流功率平衡約束以及氫氣流平衡約束，在系統(tǒng)年值成本最小目標(biāo)下，得到各模塊容量配置優(yōu)化后的安裝容量。

10、步驟5：根據(jù)容量配置優(yōu)化得到的系統(tǒng)各模塊安裝容量，對光伏制氫枯竭天然氣藏儲氫系統(tǒng)展開全生命周期視角下的技術(shù)經(jīng)濟學(xué)分析，分析方法包括：凈現(xiàn)值分析、平準(zhǔn)化氫氣成本分析、單因素敏感性分析以及經(jīng)濟性指標(biāo)計算。

11、進一步地，所述步驟1中，所述枯竭天然氣藏儲氫庫物理模型構(gòu)建特征的數(shù)據(jù)還包括平均氣溫、最大氣體壓力。

12、進一步地，簡化枯竭天然氣藏儲氫模型采用如下基本假設(shè)：壓力梯度和溫度梯度分別為0.433psi/ft和15f/1000ft；儲層條件下天然氣的累積產(chǎn)量等于儲層條件下儲存的氫氣體積；緩沖氣為氫氣，計算中不包括微生物存在導(dǎo)致的氫氣消耗量。

13、進一步地，天然氣藏最大儲氫容量的計算方法為：

14、步驟s21：對于給定的氣田平均深度，利用壓力梯度0.433psi/ft和溫度梯度1.5f/100ft估算氣田的平均壓力和溫度，獲得氫氣的壓縮因子z后計算地層容積系數(shù)bg，具體計算如式(1)所示：

15、

16、其中，bg的單位是ft3/scf，p的單位是psia，t的單位是r，然后，用bg將標(biāo)準(zhǔn)條件下的天然氣累積產(chǎn)量轉(zhuǎn)換為儲層條件。

17、步驟s22：式(2)中的采用0.8因子，采用的枯竭天然氣藏儲氫的緩沖氣體占比(ug)由式(2)計算：

18、

19、式中，ogip為原始在位氣量(m3)，rg可回收氣量(m3)，在確定完成緩沖氣的體積百分比后，確定天然氣藏的總體儲氫能力；

20、通過進行枯竭天然氣儲氣庫建模計算得到儲氫質(zhì)量后計算枯竭天然氣藏儲氫的單位儲氫資本成本：

21、

22、進一步地，在步驟s3中，能量為光伏，光伏制氫系統(tǒng)包括光伏陣列、逆變器、電解槽、氫氣壓縮機、蓄電池和儲氫裝置，整個系統(tǒng)為離網(wǎng)系統(tǒng)，被設(shè)定為具有固定的氫氣需求，直流電力由光伏模塊提供，部分直流電用于給電解槽供電，部分直流經(jīng)過逆變器傳輸至氫氣壓縮機，滿足上述直流需求的光伏額外出力則被蓄電池存貯；氫氣生產(chǎn)模塊為堿性電解槽，電解槽生產(chǎn)的氫氣部分直接提供給氫氣需求，而滿足氫氣需求的額外氫氣則經(jīng)由氫氣壓縮機壓縮為高壓氣態(tài)存儲至氫氣存儲裝置，而當(dāng)電解槽生產(chǎn)的氫氣不足氫氣需求時，儲氫裝置內(nèi)的氫氣則輸出至氫氣需求側(cè)以滿足固定的氫氣流需求。

23、進一步地，在步驟s4中，直流功率平衡：約束的含義是光伏輸出的部分直流電與蓄電池輸出的直流電全部用于系統(tǒng)的兩個直流設(shè)備也就是逆變器與堿性電解槽的能量供給需求：

24、pdctoely(t)+pdctoinv(t)＝pdischgst(t)+ppvtodc(t)?(4)

25、ppv(t)＝ppvtodc(t)+pchgst(t)?(5)

26、式中：pdctoely(t)為t時刻輸入到電解槽的直流功率，kw；pdctoinv(t)為t時刻輸入到逆變器的直流功率，kw；ppvtodc(t)為t時刻光伏到直流母線的直流功率，kw；ppv(t)為t時刻光伏的直流輸出，kw。

27、進一步地，在步驟s4中，交流平衡約束條件為：

28、唯一的交流設(shè)備為氫氣壓縮機，逆變器將光伏輸出的直流轉(zhuǎn)換未交流電輸出至氫氣壓縮機，逆變器與氫氣壓縮機的功率約束如式(22)所示：

29、pactocomp(t)＝pinvout(t)?(6)

30、式中：pinvout(t)為逆變器的交流輸出功率，mw，其值與該時刻的壓縮機交流輸入pactocomp(t)相等。

31、進一步的，在步驟s4中，氫氣生產(chǎn)與需求約束：

32、在確定氫氣的需求后，就能確定系統(tǒng)的日最小產(chǎn)氫量約束如式23)、式24)所示，解槽生產(chǎn)的氫氣要么經(jīng)由氫氣壓縮機輸入至儲氫模塊，要么輸出至氫氣的總體輸出，氫氣的總體輸出是儲氫裝置輸出的氫氣與部分電解槽輸出的氫氣的總和，且該總體輸出應(yīng)滿足氫

33、氣的每日生產(chǎn)需求，如式(25)、(26)所示：

34、

35、式中：為制氫系統(tǒng)的設(shè)計小時產(chǎn)氫量，kg/h；為年氫氣需求量，kg；為t時刻系統(tǒng)總氫氣輸出即電解槽部分氫氣輸出與儲氫裝置的氫氣輸出之和，kg；為t時刻電解槽的氫氣總輸出，kg；為t時刻電解槽到氫氣輸出端的氫氣，kg；為電解槽到氫氣存儲裝置的氫氣，kg；為t時刻氫氣存儲到氫氣輸出端的氫氣，kg。

36、進一步地，裝機容量約束的含義是在任何時間系統(tǒng)任一模塊的輸出功率不能大于其最大裝機容量，適用于光伏、電解槽、逆變器、氫氣壓縮機以及蓄電池的安裝容量約束：

37、

38、式中：pmodules(t)為系統(tǒng)任意模塊t時刻的輸出功率，mw；pmodulesinstall為該模塊的安裝容量，mw。

39、此外，儲氫裝置也需滿足容量約束條件以限制每個時刻內(nèi)儲氫裝置的氣體壓力：

40、

41、式中：為儲氫裝置的安裝容量，kg。

42、進一步的，所述步驟5中，平準(zhǔn)化制氫成本是將光伏發(fā)電制氫項目生命周期總成本除以生命周期總產(chǎn)氫量，總成本包括初始投資成本和運維成本，同時也考慮資金的時間價值以及固定資產(chǎn)殘值的影響，用于比較分析不同制氫技術(shù)的綜合競爭力，也比較不同光伏發(fā)電廠的制氫競爭力，在相同的經(jīng)濟環(huán)境下，平準(zhǔn)化氫氣成本越低，項目的制氫經(jīng)濟性越好。

43、3.有益效果：

44、通過采用光伏作為主要能源輸入，本發(fā)明促進了可再生能源在氫氣生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，有助于減少對化石燃料的依賴，降低溫室氣體排放，推動了能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型。此外，利用枯竭天然氣藏作為儲氫介質(zhì)，進一步增強了系統(tǒng)的可持續(xù)性，為大規(guī)模氫能存儲提供了一種環(huán)保且經(jīng)濟的解決方案。

45、本發(fā)明通過混合整數(shù)線性規(guī)劃方法對光伏制氫枯竭天然氣儲氫系統(tǒng)進行容量配置優(yōu)化，確保了系統(tǒng)在滿足氫氣生產(chǎn)需求的同時，實現(xiàn)了資源的合理分配和成本的最小化。這種優(yōu)化不僅減少了系統(tǒng)運行過程中的能源浪費，還有效降低了整體的建設(shè)和運維成本，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

46、本發(fā)明的光伏制氫系統(tǒng)設(shè)計為離網(wǎng)方案，具有較高的靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的地理環(huán)境和能源需求。系統(tǒng)可以根據(jù)實際的光照條件和氫氣需求動態(tài)調(diào)整光伏陣列、電解槽和氫氣壓縮機的工作狀態(tài)，確保了氫氣供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，通過敏感性分析和經(jīng)濟性指標(biāo)計算，系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)市場變化和政策調(diào)整，具有較強的抗風(fēng)險能力。