2023基于智慧能源系統(tǒng)的低碳化工

基于智慧能源系統(tǒng)的低碳化工溫室氣體排放導致全球范圍內高溫強降雨等極端天氣事件頻發(fā)積極應對氣候變化發(fā)展低碳能源技術已經成為全球共識年我國提出碳達峰碳中和的目標這勢必加速能源系統(tǒng)低碳轉型.化工行業(yè)是典型的高耗能高碳排放行業(yè),年我國化工行業(yè)碳排放約億噸在碳中和的大背景下面臨著發(fā)展與減碳的雙重挑戰(zhàn)一方面化工產品的需求持續(xù)增長碳排放量隨之增加;另一方面作為高碳排行業(yè)低碳轉型升級刻不容緩.清潔能源替代化石能源成為化工過程能源供應的主體可顯著降低化工行業(yè)碳排放是化工低碳轉型的重要途徑之一.智慧能源系統(tǒng)利用各個能源子系統(tǒng)在時間空間上的耦合實現(xiàn)多能互補能源梯級利用.智慧能源系統(tǒng)與化工過程耦合利用智慧化手段實現(xiàn)能源供給需求及儲能調節(jié)的動態(tài)平衡推動化工過程能源供應從化石能源向清潔能源轉變.目前世界各國積極部署推進智慧能源系統(tǒng)與化工過程耦合技術發(fā)展.如沙特阿拉伯啟動了太陽神綠色燃料

項目n利用太陽能和風能生產綠氫綠氨每年可獲得萬噸綠氨西班牙伊比德羅拉將投資近萬歐元建造一座兆瓦的太陽能光伏電站打造全球首座完全依靠可再生能源運轉的大型化工生產基地我國蘭州新區(qū)千噸級液態(tài)太陽燃料合成示范項目開發(fā)了可再生能源到綠色液體燃料甲醇生產的全新途徑利用太陽能等可再生能源產生的電力電解水制綠氫并將二氧化碳加氫轉化為綠色甲醇.當前智慧能源系統(tǒng)與化工過程耦合技術的設計與運行依然存在諸多挑戰(zhàn)需重點發(fā)展并亟待解決的關鍵技術包括核心設備電氣化多能源的協(xié)調控制策略系統(tǒng)集成與優(yōu)化運行等.研究智慧能源系統(tǒng)與化工過程耦合技術提升化工過程的柔性調節(jié)能力將智慧能源系統(tǒng)與電解水制氫二氧化碳電化學還原合成氨等化工過程耦合可實現(xiàn)清潔能源規(guī)模化應用和化工過程低碳發(fā)展對于實現(xiàn)雙碳目標具有十分重要的現(xiàn)實意義.１基于智慧能源系統(tǒng)的低碳化工過程國內外學者對智慧能源系統(tǒng)與化工過程多能耦合系統(tǒng)進行了較為廣泛研究主要包括清潔能源驅動的電解水制氫新技術清潔能源發(fā)電制氫合成氨耦合技術綠電驅動的二氧化碳催化轉化技術零碳排放的生物油化學品生產新過程等.清潔能源驅動的電解水制氫新技術]由于氫氣具有燃燒清潔性燃燒熱值高燃燒速度快的優(yōu)點逐漸成為國家實現(xiàn)雙碳目標的核心戰(zhàn)略電解水制氫是氫能生產的關鍵技術之一近些年來將清潔能源和電解水制氫技術結合來制備綠氫逐漸成為大家關注的熱點.a等人利用太陽能發(fā)電并利用該電力在堿性條件下電解水制氫]

能源系統(tǒng)并將其與電解水裝置連接根據(jù)產氫率和電解槽操作條件預測出電解水需要的電量.利用太陽照射數(shù)據(jù)和太陽能電池板的具體參數(shù)計算出太陽能組件的輸出電流電壓系統(tǒng)和太陽光照射的函數(shù)關系并將其和氫氣的生產速率聯(lián)系起來.然而由于該裝置產氫效率嚴重依賴太陽光照射時間和強度以及在反應過程中需要強電流因此需要串聯(lián)大量的太陽能光伏板占用面積大經濟性實用性有待商榷.d等人將風力和光伏聯(lián)合起來建立了一套發(fā)電系統(tǒng)進行電解水制氫并將其和單獨的風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)進行比較結果顯示復合體系的產氫效率可以達到比單獨的光伏發(fā)電和風力發(fā)電的產氫效率分別提高和r等人利用地熱能和太陽能建立一套集電解水制氫制氧發(fā)電制冷和供暖的新型組合系統(tǒng)圖在有機朗肯循環(huán)部分地熱水首先在蒸發(fā)器內加熱氣化異丁烷將異丁烷升溫至.高溫異丁烷通過渦輪機進行發(fā)電后溫度降至之后利用余熱為r制冷系統(tǒng)提供熱量最終通過冷凝器完成循環(huán).進行熱交換后的地熱水還可以升高電解水的溫度提升電解水效率.渦輪機產生的電能可以用于電圖１地熱能和太陽能電解水制氫制氧發(fā)電制冷和供暖系統(tǒng)原理圖]解水制氫氣和氧氣.太陽能光伏板既可以為系統(tǒng)提供一部分電能還可以提升水的溫度增加電解水的效率并將一部分熱能儲存起來用于供暖系統(tǒng).進而作者探討不同環(huán)境溫度壓力太陽輻射強度以及地熱水溫度對整體系統(tǒng)效率的影響表明環(huán)境溫度壓力和太陽輻射強度對系統(tǒng)效率的影響較小而當?shù)責崴疁囟冗_到整體系統(tǒng)效率可提升.在大多數(shù)電解水制氫系統(tǒng)中氫氣往往都是儲存起來儲氫會極大地增加系統(tǒng)成本m等人利用均質壓燃技術將電解水生產的氫氣直接燃燒通過引入均質壓燃發(fā)動機這一環(huán)節(jié)不僅降低了系統(tǒng)成本且增加了w的發(fā)電量使系統(tǒng)的能源效率從提升到.清潔能源驅動的電解水制氫新技術逐漸由單一能源供能發(fā)展為多能互補供能能源利用效率得以提高但與化石能源制氫相比經濟性仍然較差利用清潔能源實現(xiàn)大規(guī)模電解水制氫還存在許多挑戰(zhàn)例如降低太陽能光伏板價格提升電極材料性能模型.清潔能源發(fā)電制氫合成氨耦合系統(tǒng)傳統(tǒng)合成氨生產過程h工藝以化石能源為原料排放的二氧化碳占全球工業(yè)排放量的近占全球總排放量的在碳中和背景下這一過程的減排是非常必要的.a等人利用多目標優(yōu)化e方法對澳大利亞巴西和印度的新型生物質驅動的合成氨生產工藝進行了全面的經濟分析和生命周期評估結果表明生物基氨生產的經濟和環(huán)境狀況與生產位置密切相關為生物質路線生產氨的成本和環(huán)境影響提供了一個全球帕累托前沿.n等人研究了全電動風力氨生產系統(tǒng)并開發(fā)了基于風力發(fā)電的氨生產所需設備的成本模型計算了小型工業(yè)規(guī)模的氨工廠和海上風電場的投資成本n等人研究了電力轉氨過程在不確定條件下的優(yōu)化問題對優(yōu)化設計進行了全局靈敏度分析并在高效設計和穩(wěn)健設計之間進行了權衡.未來的研究包括分析穩(wěn)健的電力轉氨過程的動態(tài)運行研究不確定性對其成本的影響o等人描述了太陽能制氫技術涉及的以光電化學或光伏驅動的電解裝置和系統(tǒng)詳細介紹了設備和系統(tǒng)架構的技術方法經濟驅動因素社會觀念政治影響技術挑戰(zhàn)和研究機遇從長遠來看電化學太陽能制氫技術可以在能源市場上更廣

泛部署但需在提高效率降低成本等方面再做努力等人回顧了分散式孤島式氨經濟技術的最新進展重點討論了實際實施的可行性對制氫制氮氨合成氨分離氨儲存和氨燃燒的替代方案進行了比較和評價提出了一種孤島式氨生產系統(tǒng)的概念性工藝設計等人設計并分析了利用可再生能源發(fā)電生產綠色氨的創(chuàng)新系統(tǒng)該概念將生產氫氣的固體氧化物電解d與改進的h合成氨反應器相結合并引入了空氣分離器來供應高純氮氣其中E以極高的效率從h反應器h回收高溫熱量,E和R的工作溫度均為與同等工廠相比可以減少的電力輸入可實現(xiàn)零二氧化碳排放的氨生產過程.清潔能源發(fā)電制氫合成氨耦合技術可實現(xiàn)清潔能源大規(guī)模消納降低合成氨過程碳排放大規(guī)模清潔能源發(fā)電制氫合成氨技術亟需開展系統(tǒng)性研究通過全流程優(yōu)化與系統(tǒng)設計協(xié)調控制策略研究以及安全防護體系建設保障合成氨過程的連續(xù)、穩(wěn)定和安全.綠電驅動的二氧化碳催化轉化技術利用可再生能源將二氧化碳轉化為甲醇二甲醚及其他碳氫化合物可有效解決新能源的電力消納問題構建人工碳循環(huán)以實現(xiàn)碳減排目標.其中,甲醇是一種在環(huán)境溫度和壓力下能夠儲存和運輸?shù)囊后w燃料還可以分解為氫氣直接用于燃燒或燃料電池提供能量受到廣泛關注.目前綠電驅動生產甲醇的主要工藝路線是利用可再生能源驅動電解池電解水產生氫氣與空氣捕獲的２在反應器中反應生成甲醇和水進一步利用蒸餾塔等設備分離產物.基于以上體系研究人員提出多種甲醇合成系統(tǒng)如s等提出了通過在高溫可逆固體氧化物電池d中電解池de模式和燃料電池模式de相互切換的方法實現(xiàn)了對可再生能源生產的智能調控.當可再生能源過剩時C可以在C模式下運行在甲醇合成工段中生產甲醇作為氫載體和儲能介質當在用電高峰時儲存的甲醇通過在下操作系統(tǒng)優(yōu)化C廢氣回收熱量的管理提高綠電驅動制甲醇的產量和整體系統(tǒng)的效率.由于涉及甲醇合成和蒸餾的動力學等復雜過程關于綠電驅動制甲醇的產能計算上更加困難需要對其進行簡化假設s等利用來自風能的可再生電力電解水產生氫氣對固體胺催化劑捕獲的２氫化生產甲醇.對MW風力發(fā)電制甲醇系統(tǒng)做了系統(tǒng)評估生產甲醇的效率每噸甲醇的總成本約為噸不包括運營成本遠遠超過目前的化石燃料生產甲醇的成本.但是在評估可再生能源的可行性時還需要考慮可再生能源的可變性和可調度及能源價格變化問題n等]以美國n和德國y地區(qū)的氣象參數(shù)為依據(jù)開發(fā)了非線性產能規(guī)劃模型,對可再生能源和外部電力對生產甲醇的成本進行優(yōu)化發(fā)現(xiàn)分別采用太陽能和風能為主的電力供應成本最低成本分別為噸和/噸滲透率分別為和.盡管使用可再生能源驅動二氧化碳催化轉化技術取得了長足的進步但是仍存在諸多問題例如可再生能源的間歇性會導致整體系統(tǒng)的低效率和高成本需要繼續(xù)優(yōu)化２加氫化工藝同時開發(fā)生產和使用甲醇設施的能力規(guī)劃模型結合多種儲存技術活性.零碳排放的生物油化學品生產新過程在化工行業(yè)對２進行捕獲轉化利用和儲存是實現(xiàn)雙碳目標的重要手段.通過將２加氫和電解水技術結合合成各種化學品是最直接的利用

２方法.整個反應過程中只需要以２和O為原料可再生能源提供的電力為能量輸入可生產４醇類和O等產物.在各種反應產物中由于甲醇在常壓下的沸點高于室溫因此在產物收集階段只需要通過簡單的冷凝和氣液分離就可以進行提純p等人設計了一種２加氫和電解水一體化系統(tǒng)圖作者首先將捕獲的２和電解水產生的氫氣混合進行預壓縮和加熱之后進行反應器內反應.產物通過氣液分離裝置進行分離未反應完的２和２氣體循環(huán)使用而甲醇和水作為液體產物分離出來經過蒸餾純化得到高純甲醇產品而水回收利用作為電解水的原料.a和同事分析發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化工藝可以將能量消耗降低約然而即使在優(yōu)化工藝的條件下該反應的能源消耗也是利用天然氣傳統(tǒng)合成方法的倍另外２的成本高于天然氣利用２生產甲醇成本在２公斤而傳統(tǒng)天然氣合成甲醇的成本為公斤.而且利用可再生能源電.s等人探討分別使用熱化學和電化學法通過２合成４２來源是電解水產生的.結果顯示利用電化學的方法生成的產率低而熱化學法需要高溫高壓造成催化劑失活以及復雜的操作系統(tǒng)增加系統(tǒng)成本.設計了一種結合儲電儲熱電解水以及合成生物質燃料的模型.該研究利用太陽能塔為高溫熱源將生物質轉化為生物燃料而太陽能電解水產生的氫氣作為反向水煤氣變換整個過程可以實現(xiàn)負碳排放.圖２２加氫制O電解一體化系統(tǒng)示意圖]零碳排放的生物油化學品生產新過程不僅需要增加對可再生能源的使用消除生產過程中的碳排放還需要優(yōu)化原料來源使用零碳原料從而實現(xiàn)全生命周期零碳排放.２智慧能源系統(tǒng)與化工過程耦合集成當前智慧能源系統(tǒng)與化工過程耦合技術發(fā)展尚不成熟需要重點發(fā)展并亟待解決的關鍵技術包括核心設備電氣化多能源的協(xié)調控制策略產儲調用系統(tǒng)集成與優(yōu)化運行等.核心設備電氣化在碳中和的背景下化工行業(yè)迎來了去碳化”改革浪潮如設備改造和能源結構升級等對于石化工業(yè)來說裂解爐是石化聯(lián)合裝置的心臟但其都是采用化石燃料對爐管進行加熱.據(jù)報道石化行業(yè)大約４的二氧化碳排放主要來源是制造基礎化學品過程如蒸汽裂解占目前排放量左右.石化行業(yè)設備電氣化受到了全球關注.歐洲生產者正從裂解爐設備入手努力減少裂解爐的碳生成.巴斯夫沙特和林德公司正在開發(fā)電加熱蒸汽裂解爐計劃年啟動旨在通過使用可再生電力并將其應用于大型工廠計劃可減少多達的２.殼牌公司和陶氏公司也啟動了電加熱裂解爐試驗裝置研發(fā)正在對新開發(fā)的電氣化模型進行測試解決不同原料提供熱量的影響為工業(yè)應用提供技術支持.這些化工企業(yè)都對大型工廠去碳化積極努力但都僅限于電加熱替代燃料加熱”技術提出或者處于開發(fā)試驗階段.對于電加熱替代燃料加熱相關企業(yè)進行了小型技術革新k公司提出了開發(fā)全新裂解爐的概念采用可再生電力開發(fā)了再生式渦輪機反應器中間為一個n的轉子可使裝置在工作中將機械能轉變?yōu)閮饶苓M而加熱流體該結構可將產品收率提高二氧化碳排放減少.我國煉化一體化也迎來了新路徑電烯氫綠色低碳技術.以電代替燃料供能蒸汽裂解加工石油及各類烴類原料主要生產三烯三苯化學品產生的干氣氫資源用于鋼鐵產業(yè)脫碳如氫冶金還原鐵等既消納了綠電又促使煉化工業(yè)向綠色低碳方向發(fā)展.現(xiàn)如今已有綠電技術應用于煉化一體化或裂解爐而對大型工廠的核心設備電氣化也為石化行業(yè)的發(fā)展趨勢這也是碳中和時代石化行業(yè)的發(fā)展

新方向.多能互補的協(xié)調控制策略多能互補系統(tǒng)中能源形式包括太陽能風能潮汐能水能等由于可再生能源具有隨機性波動性和間歇性特點但化工過程無論是供能還是能都必須保障整個過程的連續(xù)穩(wěn)定和安全因此多能互補協(xié)調控制策略的研究尤為重要不僅要準確預測可再生能源發(fā)電量與負荷消耗量優(yōu)化電源及儲能裝置的耦合保證能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定同時還要考慮本地區(qū)電氣等價格實現(xiàn)多種能量的互補調度提高能源系統(tǒng)的經濟性.國內外學者將預測控制全無限規(guī)劃隨機優(yōu)化人工智能等方法應用到多能互補系統(tǒng)調控中.g等人針對獨立的風能太陽能電池能源系統(tǒng)基于經濟模型和動態(tài)性能模型構建分層分布式模型預測控制器ldl通過子系統(tǒng)之間的協(xié)調優(yōu)化實現(xiàn)分布式能源的即插即用在保證輸出功率和負荷需求良好平衡的同時經濟性能也明顯提高u等人針對海島多能互補獨立電力系統(tǒng),提出了基于a函數(shù)的全無限規(guī)劃方法Ｇe將化石能源價格作為系統(tǒng)優(yōu)化的一個重要因素隨著化石能源價格波動調節(jié)可再生能源發(fā)電量保障海島能源供應的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)運行的經濟性.u等人采用蒙特卡洛模擬對可再生能源發(fā)電量與負荷消耗量的不確定性進行預測并通過基于不確定性的多目標隨機優(yōu)化設計方法Ｇdecln對多能互補能源系統(tǒng)規(guī)模進行優(yōu)化與確定性優(yōu)化設計cln相比該方法得出的最佳規(guī)模具有更好的經濟效益及環(huán)境效益.為提高調度算法計算效率u等人使用h激活函數(shù)改進的深度學習算法預測光伏發(fā)電和負荷需求基于預測結果采用強化學習算法求解儲能調度模型獲得最優(yōu)調度策略與混合整數(shù)線性規(guī)劃相比強化學習算法求解時間減少了求解精度僅降低.在可再生能源發(fā)電快速發(fā)展的同時棄風、棄光問題也日漸嚴重大大降低了可再生能源的經濟性為緩解這一問題s等人使用不同類型的機器學習方法開發(fā)預測方法并基于留出法和交叉驗證方法進行評估在所有模型中隨機森林m模型預測誤差最小.

３結論與展望智慧能源系統(tǒng)與化工過程耦合推動化工過程隨著可再生能源發(fā)電規(guī)模的快速增長多能互補系統(tǒng)協(xié)調控制的難度不斷增加因此針對多能互補系統(tǒng)不同能源之間存在時間空間上的差異綜合考慮安全經濟高效等指標的協(xié)同控制策略的研究是未來主要發(fā)展方向.產儲調用系統(tǒng)集成與優(yōu)化運行不穩(wěn)定和間歇性等問題使得可再生能源的利用仍面臨著巨大挑戰(zhàn)因此為確保連續(xù)運行將可再生能源技術與冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)相結合是一個有效手段不僅可以提供低碳能源還能促進可持續(xù)發(fā)展.然而兩個具有不同特征的系統(tǒng)結合使運行管理和控制策略復雜化增加了系統(tǒng)的復雜度.因此可再生能源的產儲與冷熱電聯(lián)產系統(tǒng)的調用合理集成規(guī)劃并確定優(yōu)化運行策略至關重要.g等人基于g博弈論進行了多能源系統(tǒng)的集成建模和優(yōu)化運行分析.該方法建立了整個系統(tǒng)過程中能源生產傳輸轉換存儲和消耗的能量流的耦合矩陣方程.對整個系統(tǒng)的冷熱電氣多能互補與資源網(wǎng)絡負載存儲協(xié)調相互作用進行了建模.并對模型進行優(yōu)化分析實現(xiàn)了整個多能系統(tǒng)與能源子系統(tǒng)之間目標的平衡使綜合效益得到充分發(fā)揮等人通過電池儲能與熱電聯(lián)產系統(tǒng)的集成