[论文解读] Cost-Optimal Power-to-Methanol: Flexible Operation or Intermediate Storage?

Simone Mucci, Alexander Mitsos+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

Hybrid Renewable Energy Systems被引用 4

一句话总结

本研究针对配备电池和氢气储存的电制甲醇工厂，提出了一个联合设计与调度优化方法，以最小化甲醇生产成本。结果表明，全厂的灵活运行——尤其是甲醇合成单元的适度灵活性——可显著降低生产成本；而与电池相比，氢气储存能带来更大的经济效益，尤其在电价高且波动剧烈的情况下。

ABSTRACT

The synthesis of methanol from captured carbon dioxide and green hydrogen could be a promising replacement for the current fossil-based production. The major energy input and cost driver for such a process is the electricity for hydrogen production. Time-variable electricity cost or availability thus motivates flexible operation. However, it is unclear if each unit of the process should be operated flexibly, and if storage of electricity or hydrogen reduces the methanol production cost. To answer these questions, we modeled a Power-to-Methanol plant with batteries and hydrogen storage. Using this model, we solved a combined design and scheduling optimization problem, which provides the optimal size of the units of the plant and their optimal (quasi-stationary) operation. The annualized cost of methanol was minimized for a grid-connected and a stand-alone case study. The optimization results confirm that storage, especially hydrogen storage, is particularly beneficial when the electricity price is high and highly fluctuating. Irrespective of the presence of storage, the whole Power-to-Methanol plant should be operated flexibly: even moderate flexibility of the methanol synthesis unit significantly reduces the production cost.

研究动机与目标

• 确定在电制甲醇工厂中，灵活运行或中间储存（电池或氢气）是否能降低甲醇生产成本。
• 研究电池储存与氢气储存之间在最小化年化甲醇成本方面的相互作用。
• 评估甲醇合成单元不同灵活性水平的经济影响，特别是在存在储存的情况下。
• 评估电价曲线和可再生能源发电波动性如何影响最优工厂设计与运行。
• 为在真实电网和独立运行条件下运行的电制甲醇系统，提供一个整体性、集成化的设计与调度优化框架。

提出的方法

• 在GAMS中构建混合整数非线性规划（MINLP）问题，以同时优化工厂设计（设备尺寸）与运行调度。
• 基于物料与能量衡算，集成电解、甲醇合成、电池储存和氢气储存的详细性能模型。
• 使用BARON全局优化器求解MINLP问题，在单一调度场景下确保解的质量，即使存在非凸性问题。
• 针对并网和独立运行两种配置，开展不同电价和可再生能源发电曲线的案例研究。
• 评估不同灵活性水平（如爬坡速率最高达10%/h）对成本和设计决策的影响。
• 采用时间离散化方法，捕捉电价和电力可用性的时变特性，实现动态调度优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 与恒定运行相比，电制甲醇工厂的灵活运行是否能降低甲醇生产成本？
• RQ2 在电价波动情况下，电池与氢气储存相比，哪种更能降低甲醇生产成本？
• RQ3 当存在储存时，甲醇合成单元所需的最优灵活性水平是多少？
• RQ4 在何种电价和发电曲线配置下，氢气储存比电池储存更具经济优势？
• RQ5 在并网与独立运行模式下，设计与调度决策有何不同？

主要发现

• 在所有场景下，电制甲醇工厂的全厂灵活运行均能显著降低甲醇生产成本，即使存在中间储存。
• 甲醇合成单元的适度灵活性（例如爬坡速率≤10%/h）已能带来显著的成本降低，超过该阈值后收益递减。
• 氢气储存比电池储存带来更大的成本降低，因为它将氢气生产与甲醇合成解耦，从而实现甲醇装置的尺寸减小。
• 在电价高且波动剧烈的情况下，电池与氢气储存的组合能最小化甲醇成本，其中氢气储存是主要贡献因素。
• 在独立运行配置中，无论甲醇装置是否灵活运行，储存都是必不可少且广泛使用的。
• 最优工厂设计对电价和可再生能源发电曲线高度敏感，因此需要采用长期时间序列或多时段优化以实现准确设计。