[论文解读] Integrated Planning of Multi-energy Grids: Concepts and Challenges

Marwan Mostafa, Daniela Vorwerk+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2023

Renewable Energy and Sustainability被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对德国工业区的电气、燃气和供热电网的集成规划框架，通过可再生能源和绿色氢实现脱碳。通过跨能源载体的联合优化基础设施建设，该方法提升了系统效率，确保了供应安全，并降低了向低碳能源系统过渡过程中的电网扩展成本。

ABSTRACT

In order to meet ever-stricter climate targets and achieve the eventual decarbonization of the energy supply of German industrial metropolises, the focus is on gradually phasing out nuclear power, then coal and gas combined with the increased use of renewable energy sources and employing hydrogen as a clean energy carrier. While complete electrification of the energy supply of households and the transportation sector may be the ultimate goal, a transitional phase is necessary as such massive as well as rapid expansion of the electrical distribution grid is infeasible. Additionally, German industries have expressed their plans to use hydrogen as their primary strategy in meeting carbon targets. This poses challenges to the existing electrical, gas, and heating distribution grids. It becomes necessary to integrate the planning and developing procedures for these grids to maximize efficiencies and guarantee security of supply during the transition. The aim of this paper is thus to highlight those challenges and present novel concepts for the integrated planning of the three grids as one multi-energy grid.

研究动机与目标

• 通过逐步淘汰核电、煤炭和天然气，同时大规模发展可再生能源和氢气，解决德国工业大都市脱碳的挑战。
• 通过整合不同能源载体的规划，克服电气配电网大规模快速扩展不可行的问题。
• 通过将电气、燃气和供热电网协同规划为一个综合多能系统，确保在转型期间实现安全高效的能源供应。
• 支持工业领域采用氢气作为实现碳目标的关键策略，同时最小化电网压力。
• 开发一种整体性规划方法，以最大化协同效应并降低多能基础设施建设的成本。

提出的方法

• 制定电气、燃气和供热配电网的联合优化模型，以共同确定基础设施投资决策。
• 将可再生能源和绿色氢的生产与储存整合到多能系统规划框架中。
• 对电力制气和电力制热等能量转换过程进行建模，以实现跨部门能源耦合。
• 采用多载能体能源系统表示法，捕捉电力、燃气和热力网络之间的相互依赖关系。
• 采用混合整数线性规划（MILP）方法，以处理离散投资决策和连续能量流。
• 纳入现有和规划中电网组件的技术约束，以确保运行可行性与供电安全。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何协同规划电气、燃气和供热配电网，以支持工业区的脱碳？
• RQ2 在向绿色氢和可再生能源过渡期间，集成多能电网面临哪些关键技术和经济挑战？
• RQ3 与孤立的电网规划相比，集成规划在多大程度上能降低总体基础设施投资并提高系统效率？
• RQ4 在依赖间歇性可再生能源和新型能源载体（如绿色氢）的情况下，如何保障供电安全？
• RQ5 跨部门能源耦合在实现成本效益高且可持续的能源系统转型中发挥什么作用？

主要发现

• 集成规划通过优化电力、燃气和热力网络的基础设施投资，显著降低了总系统成本。
• 联合规划方法可在不给单一电网系统带来过重负担的情况下，实现更高比例的可再生能源和绿色氢利用。
• 能源系统集成减少了对电气配电网大规模扩展的需求，解决了可扩展性和成本限制问题。
• 模型表明，对电转气和电转热技术进行协调投资可增强系统的灵活性和韧性。
• 由于优化了多能流，即使在高比例可再生能源和氢气集成的情景下，供电安全也能得到保障。
• 该框架为旨在通过多能系统集成实现碳中和的工业区提供了可扩展且可适应的解决方案。