logo全球能源互联网期刊信息服务平台

【特约综述】清华大学康重庆、程耀华等——电力系统中的碳捕集电厂:研究综述及发展新动向

来自专辑
气候变化与低碳能源发展

本文发表在《全球能源互联网》2020年第4期“电力系统低碳发展的目标、战略及技术选择”专题,欢迎点击品读。本文得到国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目资助。

电力系统中的碳捕集电厂:研究综述及发展新动向

程耀华1,杜尔顺1,田旭2,张宁1,康重庆1

(1.清华大学电机系;2. 国网青海省电力公司经济技术研究院)

文章导读

碳捕集技术是实现《巴黎协定》温控目标的关键低碳技术之一。本文从碳捕集电厂的基本原理与发展前景出发,分析了碳捕集电厂的运行特性,综述了含碳捕集电厂的电力系统运行优化、优化规划以及碳捕集电厂的投资效益分析3个方面的研究现状,最后从动态控制支撑低惯量电力系统、支撑高比例可再生能源并网、支撑净零排放电力系统、参与电力和碳交易联合市场、助力综合能源系统等5个方面对碳捕集电厂的研究新动向进行了展望。

主要内容

1

含碳捕集电厂的电力系统相关研究综述

碳捕集技术可以分为燃烧前碳捕集、燃烧后碳捕集和富氧燃烧捕集等3类。目前国内外学者已经针对含碳捕集电厂的电力系统优化决策这一主题开展了较为广泛的研究,研究内容涵盖了运行优化、优化规划以及投资效益分析等,如下图所示。

碳捕集电厂的相关研究现状

(1)含碳捕集电厂的电力系统运行优化

对于单个碳捕集电厂,不同的碳捕集水平对应的有功输出不同。现有研究综合考虑了碳价、碳捕集电厂的灵活性效益、动态行为等因素,针对电厂层面的碳捕集灵活运行方法开展了研究;此外,碳捕集电厂与其他类型电厂的联合调度,对低碳发展背景下的电力系统调度意义重大。现有研究表明,碳捕集电厂在调峰、备用等灵活性效益方面优于传统火电厂,可有效促进电力低碳减排以及间隙性可再生能源的消纳。

(2)含碳捕集电厂的电力系统优化规划

国内外学者首先分析了影响碳捕集电厂成本的因素、燃煤电厂碳捕集改造的潜力以及考虑碳交易市场与碳排放约束等外部因素的火电厂碳捕集最优配置;在碳捕集电厂与其他电源协调规划方面,现有文献考虑了碳捕集电厂的技术进步率、碳捕集改造的不同技术路线、电力系统的各方面低碳效益等因素,研究了不同发电技术的优化组合配置。

(3)碳捕集电厂的投资效益分析

成本问题是目前制约碳捕集技术在电力行业大规模运用的最主要原因之一。国内外学者采用学习曲线、传统风险理论、实物期权理论等方法对碳捕集电厂的投资效益进行了分析,其中也涵盖了了宏观政策的影响。

2

电力系统中的碳捕集电厂未来研究展望

(1)碳捕集电厂的动态控制支撑低惯量电力系统

以风电、光伏、直流输电为代表的各类电力电子设备的接入将使得电力系统的惯性明显减弱。碳捕集电厂可以灵活地调节净出力,提高二次调频的响应速度,甚至能够结合虚拟同步控制技术,更好地支撑低惯量电力系统的运行。未来需要研究包含碳捕集化学过程的碳捕集电厂机电暂态模型,研究其提供惯量的能力、调频能力等动态特性,提升低惯量电力系统的频率稳定性。

(2)碳捕集电厂支撑高比例可再生能源并网

碳捕集电厂具备良好的灵活运行特性,有助于解决高比例可再生能源并网所带来的电力系统灵活性资源稀缺问题。未来需要深入研究碳捕集电厂在高比例可再生能源电力系统中的配置和运行方法以发挥其最大效益。

(3)碳捕集电厂支撑净零排放电力系统

碳捕集电厂既可以像传统火电机组一样提供灵活性支撑作用,又能很大程度降低自身的碳排放,有望在未来电力系统中起到压舱石作用。未来需要综合分析不同碳捕集技术的成本及其效益,研究系统中不同碳捕集技术手段(包括常规碳捕集、CCUSBECCS等)的优化配置组合及发展路线,为净零排放电力系统的建设提供技术储备。

(4)碳捕集电厂参与电力和碳交易联合市场

随着新一轮电力体制改革和全国统一碳交易市场的稳步推进,碳捕集电厂获得了更大的市场参与空间。未来需要从电厂利益最大化的角度出发,研究灵活运行机制下碳捕集电厂参与电力市场和碳交易市场的联合竞价策略,这有助于提升碳捕集电厂的投资回报率、加强其竞争优势。

(5)碳捕集电厂助力综合能源系统

多能集成环境下,需要研究碳捕集电厂与其他灵活性资源(如储热、电转气、电锅炉等)的相互协调与容量优化配置,充分发挥多种设备之间的互补特性,实现电、热、冷的联合最优供应;另一方面,电转气设备的甲烷化过程需要消耗大量CO2,通过碳捕集电厂与电转气设备的联合运行可以实现碳的循环利用,也有助于解决捕集后CO2的存储难题。未来需要对二者联合运行进行深入的探索,包括技术成熟度、经济性、综合运行效益等。

研究团队

清华大学电机系夏清教授、康重庆教授团队(智慧能源实验室)目前主要从事电力系统规划、调度运行、智能电网、电力市场、负荷预测、新能源、低碳电力和多能源系统等领域的研究工作。近5年团队发表或录用SCI论文100余篇,其中50余篇发表在IEEE Transactions上,近5年EI论文140余篇。所研发的负荷预测软件在我国200余家地市电网得到推广应用,发电计划与检修计划软件在全国20余个区域以及省级调度中心应用,电力系统运行模拟软件在全国10余个省级经研院或规划中心应用。深度参与我国多个“互联网+”智慧能源示范项目的规划与设计。

作者简介


程耀华


清华大学电机系2020届博士毕业生


主要研究方向包括低碳电力技术、多能源系统、电力系统规划


杜尔顺


清华大学电机系博士后/助理研究员,入选2018全国博士后创新人才计划


研究方向包括电力系统规划、电力市场、可再生能源并网、低碳能源政策等


张宁


清华大学电机系副教授、博士生导师


主要研究方向包括电力系统不确定性分析、多能源系统、电力系统规划、新能源等

E-mail:

ningzhang@tsinghua.edu.cn


康重庆


清华大学电机系教授、博士生导师,IEEE Fellow


主要研究方向包括电力系统规划、低碳电力技术、负荷预测、新能源、电力经济等


相关精彩阅读



编辑:李锡

审核:白恺


郑重声明

根据国家版权局相关规定,纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编本网站作品,需包含本网站名称、二维码等关键信息,并在文首注明《全球能源互联网》原创。
个人请按本网站原文转发、分享。