Water electrolysis based on renewable energy for hydrogen production

As an energy storage medium,hydrogen has drawn the attention of research institutions and industry over the past decade,motivated in part by developments in renewable energy,which have led to unused surplus wind and photovoltaic power.Hydrogen production from water electrolysis is a good option to make full use of the surplus renewable energy.Among various technologies for producing hydrogen,water electrolysis using electricity from renewable power sources shows greatpromise.To investigate the prospects of water electrolysis for hydrogen production,this review compares different water electrolysis processes,i.e.,alkaline water electrolysis,proton exchange membrane water electrolysis,solid oxide water electrolysis,and alkaline anion exchange membrane water electrolysis.The ion transfer mechanisms,operating characteristics,energy consumption,and industrial products of different water electrolysis apparatus are introduced in this review.Prospects for new water electrolysis technologies are discussed.

Design and Analysis of Sustainable Green Data Center with Hybrid Energy Sources

Development of renewable energy (RE) and mitigation of carbon dioxide, as the two largest climate action initiatives are the most challenging factors for new generation green data center (GDC). Reduction of conventional electricity consumption as well as cost of electricity (COE) with preferred quality of service (QoS) has been recognized as the interesting research topic in Information and Communication Technology (ICT) sector. Moreover, it becomes challenging to design a large-scale sustainable GDC with standalone RE supply. This paper gives spotlight on hybrid energy supply solution for the GDC to reduce grid electricity usage and minimum net system cost. The proposed framework includes RE source such as solar photovoltaic, wind turbine and non-renewable energy sources as Disel Generator (DG) and Battery. A hybrid optimization model is designed using HOMER software for cost assessment and energy evaluation to validate the effectiveness of the suggested scheme focusing on eco-friendly implication.

基于斜坡和山体的重力储能技术研究进展

大力发展可再生能源并实现清洁能源变革,是实现碳达峰碳中和的重要途径,电网对各种储能技术的需求日益增长,而规模化储能技术是有效解决可再生能源并网问题的重要技术途径。抽水储能是标杆性的物理储能技术,技术成熟、应用广泛且装机容量最大,是规模化物理(重力)储能技术的典范;重力储能是最近引发广泛关注的新型物理储能技术,按照应用场景的不同分为多种技术类型。本文首先介绍了依托山体、倾斜矿井的斜坡重力储能的原理和结构,并根据应用场景和技术特点进行了分类阐述,包括依托山体斜坡的抽水储能、轨道式重力储能和缆索式重力储能等技术类型;然后回顾了不同类别依托斜坡重力储能技术的研究进展和应用情况,并阐述了每种技术类型的优势和不足;据此提出一种更为优化的斜坡重力储能技术——斜坡缆-轨式重力储能技术,不仅融合了斜坡轨道式重力储能与斜坡悬架缆车式重力储能的优点,且避免了两者的缺点;最后概述了当前斜坡重力储能技术存在的关键问题,并就其发展与推广应用进行了展望。

适应新型电力系统的电力互替品市场——(一)理念与构想

新型电力系统重塑了能源生产消费结构,电力市场机制也需随之改变。首先,分析指出提升系统调节能力是新型电力系统下市场机制设计的首要目标;围绕该目标给出了市场机制应具备的特点,包括利于激发调节动力、释放调节能力、接纳各种新型调节资源等。其次,对世界各国现货市场普遍采用的分时交易机制进行了分析,指出其与新型电力系统存在诸多不适应之处,包括市场主体调节贡献无法被量化表征,市场主体连续运行特性与分时交易机制相矛盾、调节能力难以完全释放,以及难以满足海量柔性资源直接参与电力市场的需求等。为此,文中舍弃分时交易的方式,转而提出整体交易机制与电力互替品概念,介绍了形成与交易电力互替品的主要思路,并以电力互替品为核心构想了新型市场机制。该机制可通过调节责任划分量化各主体调节贡献,激发市场主体的调节动力;同时,也能促进市场主体主动优化自身运行方式,释放调节能力;具有易于扩展的优势,可轻松接纳新型电力系统下层出不穷的各类新型主体。

考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略

高比例新能源接入工业园区已成为高耗能工业负荷低碳转型的主要途径,而联络线功率剧烈频繁波动是园区低碳转型的关键问题.因此,提出一种考虑生产安全的工业园区联络线功率平滑策略.首先,分析电解铝和矿热炉的可控设备控制模型,构建基于联络线功率波动反馈的工业负荷功率闭环反馈控制模型.考虑工业生产核心影响因素,构建温度状态指标模型,形成考虑工业生产核心因素的典型工业负荷需求侧响应惩罚成本模型,并以工业生产的惩罚成本最小为优化目标,将控制目标分配至各工业负荷.最后,构建基于云南电网文山区域网架的MATLAB在线计算和RTDS仿真实时交互算例,结果表明,该算法自适应更新生产设备温度,有效降低功率调节对生产的影响,且联络线购电成本可降低36.4%.

考虑实时备用率的中长时间尺度新能源发电备用的方法

在新型电力系统中,考虑到中长期时间尺度下新能源出力具有较强规律性,提出了中长时间尺度新能源纳入备用的实时备用率的确定方法。根据实时备用率将新能源可信出力纳入备用,建立多电源电力生产模型。所建模型以生产成本最小为目标函数,考虑电源运行成本、新能源弃电成本、切负荷惩罚成本及机组出力、功率平衡、逻辑变量等约束条件。采用时间迭代将中长时间生产模拟化简为短期优化问题,利用CPLEX求解。以改进IEEE-24节点系统作为算例,优化结果表明新能源电源采用实时备用率的方法纳入备用时,电力系统生产运行总成本更低;新能源渗透率越高,纳入新能源为备用的经济效益越明显;风电和光伏独立确定备用率时,备用成本和污染排放更低。

适应新型电力系统的电力互替品市场——(二)商品形态及形成机理

当前的电力现货市场基础理论是在新能源占比极低情况下提出的,其所依据的“分时交易”假设无法适应新型电力系统新能源占比日渐趋高、调节需求日益增加的新情况。为此,文中舍弃“分时交易”的基本假设,将功率曲线作为有机整体进行交易,探讨商品形态及形成机理。首先,分析对比“分时交易”与系列论文提出的“整体交易”中商品的形态,揭示“分时交易”中电力商品在各时段同质的假设在实际中不能成立的根本原因。其次,从市场组织者角度出发,探讨电力互替品的性质与形成过程,指出电力除具备生产使用价值外,还具有平衡价值,并定义互替电量、调节电量分别对这两种价值进行表征与量化。进而,从市场主体角度出发,以电力互替品的形成成本最小为目标,提出市场主体自主优化形成电力互替品的方法。进一步指出,各主体还可互补聚合形成电力互替品,适应海量分散的新型市场主体进入市场。最后,算例从量、质、价三个方面展示电力互替品的形成过程,分析了影响电力互替品形成成本的关键因素。电力互替品的形成过程,正是市场主体从计划式的“被动提供灵活性”变为市场化的“主动提供灵活性”的过程,也正是系统调节能力的挖掘提升过程。

中国对欧盟出口可再生能源产品影响因素实证分析

中国是欧盟可再生能源产品的重要来源地。分析中国对欧盟出口可再生能源产品的趋势以及贸易竞争力和互补性,利用引力模型研究出口的影响因素和贸易潜力。结果表明,中国对意大利出口具有较强的竞争力,对德国具有较强的互补性,玻璃镜等太阳能产品的比较优势和互补性指数均高于其他可再生能源产品。欧盟国家可再生能源供给量显著促进中国出口,中国与欧盟可再生能源产品贸易增长空间有限,需要通过技术创新寻找新的贸易增长点。

An Experimental Study of Microbial Fuel Cells for Electricity Generating: Performance Characterization and Capacity Improvement

This paper studies the electricity generating capacity of microbial fuel cells (MFCs). Unlike most of MFC research, which targets the long term goals of renewable energy production and wastewater treatment, this paper considers a niche application that may be used immediately in practice, namely powering sensors from soils or sediments. There are two major goals in this study. The first goal is to examine the performance characteristics of MFCs in this application. Specifically we investigate the relationship between the percentage of organic matter in a sample and the electrical capacity of MFCs fueled by that sample. We observe that higher percentage of organic matter in a sample results in higher electricity production of MFCs powered by that sample. We measure the thermal limits that dictate the temperature range in which MFCs can function, and confirm that the upper thermal limit is 40℃. The new observation is that the lower thermal limit is -5℃, which is lower than 0℃ reported in the literature. This difference is important for powering environmental sensors. We observe that the electricity production of MFCs decreases almost linearly over a period of 10 days. The second goal is to determine the conditions under which MFCs work most efficiently to generate electricity. We compare the capacity under a variety of conditions of sample types (benthic mud, top soil, and marsh samples), temperatures (0℃, 40℃, and room temperature), and sample sizes (measuring 3.5 cm × 3.5 cm × 4.6 cm, 10.2 cm × 10.2 cm × 13.4 cm, and 2.7 cm × 2.7 cm × 3.8 cm), and find that the electricity capacity is greatest at 0℃, powered by benthic mud sample with the largest chamber size. What seems surprising is that 0℃ outperforms both room temperature and benthic mud sample outperforms marsh sample, which appears to be richer in organic matter. In addition, we notice that although the largest chamber size produces the greatest capacity, it suffers from efficiency loss. The reasons of these observations will be explained in the paper. The study demonstrates that the electricity production of MFCs can be increased by selecting the right condition of sample type, temperature, and chamber size.

山东电网新能源消纳关键措施分析及综合评估

在“双碳”目标下,山东省将进一步加快能源转型步伐,建设新型电力系统。然而,在山东省新能源快速发展的同时,新能源消纳问题日益凸显。以山东电网为分析对象,开展新能源消纳关键措施研究。分析了山东新能源消纳现状,总结了新能源消纳问题的机理,在此基础上归纳影响新能源消纳的关键因素。针对这些关键因素,系统性地提出了促进新能源消纳的各项措施。以山东电网2025年规划数据为基础场景,利用时序生产模拟方法对这些措施进行量化分析,为合理制定新能源消纳措施提供决策支撑。

风光制氢容量配置优化研究及绿氢经济性分析

针对未来大规模风光制氢问题,提出一种基于不同典型日下的风光制氢电解槽容量配置优化方法。首先对当地风光资源进行互补性分析,分析结果表明,当地风光资源互补性很好,有利于风光制氢的发展。然后分析每类典型日下的最优电解槽容量配置,并引入全年制氢相对最大收益衡量指标,从而得到了全局最优电解槽容量配置。最后分析了不同的影响因素对于绿氢制取成本的影响效果。结果表明,售氧和碳排放交易价格对绿氢成本有明显影响,并将其与传统制氢方式的成本进行了对比。当市场氧气价格为2000元/t时,风光制氢成本将对传统制氢成本产生初步竞争力;碳排放交易价格达到目前欧洲价格500元/t时,风光制氢成本已低于考虑碳捕集的煤制氢成本;当市场氧气价格达到2500元/t时,风光制氢成本将对传统技术制氢成本产生明显的竞争力。

海上风电的发展现状与前景展望

近几年在“碳达峰、碳中和”目标下,可再生能源领域得以巨大发展,海上风电技术凭借其资源丰富、可利用前景大的优势,有望成为未来绿色能源来源的中流砥柱;但是,目前海上风电场尤其是深远海风电场仍面临建设难度大、风电消纳技术不成熟等问题。为此,首先介绍海上风电的发展现状,分析目前应用于海上风电输送技术的优势与不足,介绍当前海上风电领域内出现的新技术,分析总结海上风电制氢技术及氢气的转运技术。结合发展趋势,总结未来海上风电的发展应分近海和深远海两条主线的走向,提出深远海风电与氢能源发展紧密结合的观点,引入海上风电与储氢储能结合的思路,并分别对深远海和近海的风电前景进行展望,可为解决海上风电场所面临的问题提供思路,也可为海上风电的进一步发展提供参考。

大规模新能源基地经特高压直流送出系统中长期运行方式优化方法

大规模新能源基地经特高压直流送出是我国未来新能源消纳的重要形式,合理优化特高压直流中长期运行方式,是提高新能源基地外送消纳能力的重要基础。提出了基于时序生产模拟的大规模新能源基地经特高压直流送出系统中长期运行方式优化方法。首先,考虑生产模拟计算准确性与复杂度的要求,建立了不同类型光热电站、火电机组和储能电站的聚合运行模型;然后,考虑特高压直流运行模式、灵活调节性能和受端电网负荷调峰需求,建立了不含整数变量的特高压直流运行模型。最后,建立了以新能源最大化外送消纳为目标,考虑各类电源与特高压直流运行约束的中长期运行方式优化模型,提出了基于逐周计算的全年8760h生产模拟计算方法。算例基于含风电/光伏/光热/火电/储能的大规模新能源基地开展测试,结果表明所提出方法能够优化特高压直流年/月运行曲线,实现新能源的最大化外送消纳,计算准确性与效率能够满足工程实用性需求。

考虑火电机组参与绿证购买交易的含氢综合能源系统经济低碳调度策略

在“双碳”背景下,为提升能源消纳率、处理综合能源系统低碳供能问题,提出一种考虑火电机组参与绿证购买交易的含氢综合能源系统经济低碳调度策略。首先,针对光热电站和电制氢系统存在的耦合关系对综合能源系统进行建模。其次,建立以火电机组为绿证购买者的绿证交易模型。在碳交易的依托下,火电机组购买的绿证可以转化成部分碳配额。同时针对绿证交易价格,提出考虑绿证供需关系的绿证交易价格定价机制,基于价格的变化调整绿证购买量。最后,构建以含氢综合能源系统总运行成本最小为目标的调度模型。仿真分析表明,所提调度策略可以提升绿证购买需求和可再生能源消纳率,实现系统低碳经济运行的目标。

考虑制氢效率提升的风电制氢系统优化控制策略

通过分析电解制氢效率与制氢功率的关系,提出一种基于分段模糊控制电解槽阵列效率提升的策略,基于大规模风-氢耦合系统应用场景,建立考虑风电制氢效率的风电制氢系统优化调度模型,并采用人工蜂群算法求解最优制氢功率。仿真结果表明,所提出的控制策略不仅可保证电解槽的安全运行,同时能提高电解槽的制氢效率,为电解制氢系统在电力系统中的大规模应用提供理论依据。最后,在此基础上,加入电解槽阵列的模块化优化策略,使建立的分段模糊控制器能够统筹安全性、经济性、能效性,以期为氢能在电力系统中的大规模应用提供理论依据。

可再生能源制氢建模技术研究

基于电氢转化机理的氢储能技术能够实现风光消纳,平抑风光波动,可作为重要的可再生能源发电支撑形式。构建多元仿真模型是推进风-光-氢耦合系统设计与控制的重要手段,介绍了风力发电、光伏发电及电制氢的机理模型及常用简化模型,对比了不同可再生能源发电形式与制氢的耦合特征。结合国内外建模案例,阐述了仿真模型在运行控制优化、源-网-荷互动、容量配置方面的应用价值。结合技术发展现状,从多物理场、多时间尺度、多元素三个方面对技术的发展进行分析与展望。通过对可再生能源耦合制氢建模基础的综述,可促进相关平台、工程建设,加快实现向零碳供能、绿色用能的能源结构转型。

氢电耦合系统应用场景分析研究

火力发电机组为目前中国能源结构中装机容量最大的发电机组,它造成的能源消耗过大。而氢能具有低碳清洁、储存时间长的优点。在此背景下,提出让制氢加氢系统参与火电机组辅助调峰服务,消纳可再生能源发电,提高火电机组负荷,促进电网系统的安全稳定。结合具体项目分析得出,火电耦合电解水制氢加氢一体站在空间布置、工艺流程和市场前景方面具有一定的可行性,为电厂灵活性改造转型及区域氢能发展提供了参考。

Coastal power plant:a hybrid solar-hydro renewable energy technology

This article offers a demonstration of a novel technology that uses hydro and solar power combined with battery storage to generate electricity for deployment off coastal regions.Called the coastal power plant(CPP),such an installation has a multistorey water reservoir that draws in seawater that is then pumped up in vertical stages by geyser pumps into an overhead tank,from which it is released into a hydropower plant to generate electricity.The ocean surface is utilized to install a floating solar plant for photovoltaic energy generation.The intermittent renewable source is combined with a battery energy storage system to meet peak demands.Offshore oil industry technologies are utilized in fabricating the structures on shore and towing them to the site.The potential and cost effectiveness of a 201-MW CPP are also analyzed.Results demonstrate the effectiveness of the new design in terms of investment and operation/maintenance costs.These compare favorably with other renewable energy technologies.

绿电园区自主调峰能力评估方法研究

为解决“源网荷储一体化”绿色供电园区(简称“绿电园区”)调峰能力不足的问题,保障新能源接入绿电园区后不影响大电网的安全稳定运行,需要对园区供电方案的自主调峰能力进行评估。以内蒙古奈曼旗绿电园区项目为例,提出了自主调峰能力指标计算方法。结合生产运行模拟计算,验证绿电园区供电方案中风电、光伏和储能的规模及配比是否满足自主调峰要求。全年场景、各月典型日场景和极端场景的仿真计算结果验证了所提自主调峰能力指标计算方法的有效性。研究成果可为绿电园区电源配置的优化与合理性验证提供有效的计算方法。

考虑多重不确定因素的可再生能源制氢场站最优运营策略研究

以可再生能源制氢场站这一新兴能源制造主体为对象,在电力市场环境下研究面对可再生能源出力和电力市场价格的多重不确定性因素时,可再生能源制氢场站最优运营策略模型,制氢场站的运营策略具体包括制氢场站中长期电量合同分解、电力现货市场购电量以及氢气生产计划。首先,建立了可再生能源制氢场站在电力市场环境下的运营框架,并以此为基础建立了可再生能源制氢场站确定性最优决策模型。其次,采用蒙特卡洛抽样和场景缩减方法,将风电出力的不确定性用具有代表性的典型场景进行刻画。接着,建立了基于信息间隙决策理论的计及现货价格不确定性的可再生能源制氢场站最优运营决策模型,该模型给出的决策能够保证可再生能源制氢场站的总成本不高于其最大所能接受的值。最后,通过算例仿真与对比证明了所提方法的有效性。