本發(fā)明涉及海上風電裝置領(lǐng)域，尤其是涉及海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、由于綠色甲醇目前在大部分國家地區(qū)都還未量產(chǎn)，市場上對于戰(zhàn)略能源數(shù)據(jù)處理分析的裝置較少。然而大氣中的二氧化碳濃度從工業(yè)前時代的250ppm增加到現(xiàn)在的超過410ppm。增加的大部分可以歸因于化石燃料的使用。預計通過減少燃料使用來減少二氧化碳排放是不可能的。預計未來幾年世界能源使用量只會增加?，F(xiàn)在，人們普遍認為大氣中二氧化碳濃度的增加會導致世界氣候的變化。因此，低二氧化碳排放的能源生產(chǎn)越來越受到關(guān)注。如風能、太陽能光伏和水力發(fā)電等可再生能源的裝機容量每年都在增加。最近的一份出版物提到了這一點。海上風力發(fā)電的成本正在加速下降，它正在成為全面脫碳世界上最大的關(guān)鍵基石。

2、然而，海上風力發(fā)電裝置和綠色甲醇等綠色能源的整合障礙以及裝置產(chǎn)出效率預測尚未量化。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種實現(xiàn)對整體裝置風電制氫和甲醇轉(zhuǎn)化效率的準確預測的海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法和裝置。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，包括以下步驟：

4、采集當前區(qū)域內(nèi)海上風電的歷史數(shù)據(jù)，進行海上風電未來裝機量的預測，并進行海上風電機組成本的學習曲線擬合，獲取海上風電未來的機組成本，從而預測海上風電單位成本上的電力產(chǎn)出效率；

5、采集電解水制氫數(shù)據(jù)，計算電解水制氫過程中的氫氣產(chǎn)量和消耗的電能，從而計算電解水制氫的單位電能成本的制氫效率；

6、采集碳捕集及儲存數(shù)據(jù)，計算碳捕集及儲存過程中二氧化碳的產(chǎn)出效率和對應的電能需求，從而計算碳捕集及儲存的單位電能成本的碳捕集效率；

7、采集甲醇合成數(shù)據(jù)，計算甲醇合成效率和對應的設(shè)備供能成本，并結(jié)合所述碳捕集效率，計算單位電能成本下的甲醇合成效率；

8、綜合所述海上風電單位成本上的電力產(chǎn)出效率、單位電能成本的制氫效率、單位電能成本下的甲醇合成效率，計算海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率。

9、進一步地，所述海上風電未來裝機量的預測表達式為：

10、ct＝ct*(1+rate)

11、

12、式中，ct為海上風電未來裝機量，rate為年增長率，σrate_h為對于過去的年增長率的求和值，year為統(tǒng)計年份數(shù)量。

13、進一步地，所述海上風電機組成本的學習曲線的表達式為：

14、ln?rijt＝ln?sij+βijlnctj+γijln?ptj

15、式中，i為地區(qū)名稱，t為第t個年份，j為采用的海上風電技術(shù)，rijt為海上風電技術(shù)j在i地區(qū)第t年的機組成本，ctj為海上風電技術(shù)j在第t年的裝機量，ptj為海上風電技術(shù)j在第t年的成本，βij為海上風電技術(shù)j在i地區(qū)的學習系數(shù)，γij為海上風電技術(shù)j在i地區(qū)的成本系數(shù)。

16、進一步地，所述電解水制氫過程中氫氣產(chǎn)量的計算表達式為：

17、

18、式中，為氫氣的摩爾流量，e電解為電解過程消耗的電能，η電解為電解過程的效率，δh電解為電解反應的熱化學焓變。

19、進一步地，所述電解水制氫過程中消耗的電能包括電解產(chǎn)生的熱能和將水壓提高到電解槽壓力所需的電能，所述電解產(chǎn)生的熱能的計算表達式為：

20、

21、式中，為在電解過程中產(chǎn)生氫氣所涉及的能量，p電解為電解過程的電能輸入，為供給電解槽的水的顯熱，為水的摩爾流量，為水的比熱容，t電解為電解槽電解后的水的溫度，t電解,初始為電解槽電解前的水的溫度；

22、所述將水壓提高到電解槽壓力所需的電能的計算表達式為：

23、

24、式中，為水的泵送能耗，為水的質(zhì)量流量，δp為裝置內(nèi)的壓降。

25、進一步地，所述碳捕集及儲存過程中二氧化碳的產(chǎn)出的計算過程包括：計算碳捕集所需的水的工作容量以及水蒸氣的吸附量；根據(jù)水蒸氣的吸附量的增加值，迭代計算二氧化碳解吸過程中的二氧化碳產(chǎn)出，所述水蒸氣的吸附量的計算表達式為：

26、

27、式中，為水蒸氣的吸附量，cm為吸附劑的摩爾濃度，cg為水的工作容量，kads為吸附平衡常數(shù)，rh為相對濕度；

28、所述二氧化碳解吸過程中的二氧化碳產(chǎn)出的計算表達式為：

29、

30、式中，為二氧化碳解吸過程中的二氧化碳產(chǎn)出，為二氧化碳的吸附量變化值，為二氧化碳轉(zhuǎn)化效率，為水蒸氣的吸附量變化值，為水蒸氣轉(zhuǎn)化效率。

31、進一步地，所述碳捕集及儲存過程中還計算所需的吸附劑量，從而確定所需的吸附劑床數(shù)量，并計算對應所需的風機、真空壓縮機和熱泵的電能需求。

32、進一步地，甲醇合成對應的設(shè)備供能成本的計算過程中，計及進行甲醇反應所需的內(nèi)部換熱器、冷凝器和甲醇精餾塔所需的供能成本。

33、進一步地，所述方法還包括對選取不同的海上風電技術(shù)、電解水制氫技術(shù)、碳捕集及儲存技術(shù)以及甲醇合成技術(shù)進行任意組合，從而計算對應的產(chǎn)出效率預測結(jié)果，選取最優(yōu)的組合進行海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的配置；

34、所述海上風電技術(shù)包括海水直接制氫技術(shù)和海水淡化制氫技術(shù)，所述電解水制氫技術(shù)包括堿性電解制氫、質(zhì)子交換膜制氫、高溫固體氧化物電解制氫和固體聚合物陰離子交換膜電解水技術(shù)，所述碳捕集及儲存技術(shù)包括直接空氣捕獲技術(shù)和工業(yè)副產(chǎn)碳捕集技術(shù)。

35、本發(fā)明還提供一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測裝置，其特征在于，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，處理器調(diào)用所述計算機程序執(zhí)行如上所述的方法的步驟。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

37、(1)本發(fā)明通過海上風電驅(qū)動下的綠氫制備、二氧化碳捕集、聯(lián)合制備綠色甲醇構(gòu)建海上一體化能源島的裝置，通過依次計算海上風電單位成本上的電力產(chǎn)出效率預測值、電解水制氫的單位電能成本的制氫效率、碳捕集及儲存的單位電能成本的碳捕集效率以及單位電能成本下的甲醇合成效率，實現(xiàn)對各個部分精確的產(chǎn)出效率分析計算，確定了風電制氫和甲醇轉(zhuǎn)化的效率，從綠電、制備綠色甲醇、產(chǎn)出效率上，確保了綠色甲醇的生產(chǎn)過程不僅經(jīng)濟高效，而且環(huán)境友好，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

38、(2)本發(fā)明還提出可對不同的海上風電技術(shù)、電解水制氫技術(shù)、碳捕集及儲存技術(shù)以及甲醇合成技術(shù)進行任意組合，從而進行產(chǎn)出效率對比，為用戶提供一個全面、深入、多維度的視角，以評估海上風電耦合綠氫生產(chǎn)綠色甲醇的最優(yōu)技術(shù)，可在技術(shù)經(jīng)濟性框架和環(huán)保低碳效益框架下綜合選擇低碳路線和技術(shù)方案組合的選擇，達到產(chǎn)出效率和環(huán)境效益最優(yōu)的平衡。

技術(shù)特征：

1.一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，所述海上風電未來裝機量的預測表達式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，所述海上風電機組成本的學習曲線的表達式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，所述電解水制氫過程中氫氣產(chǎn)量的計算表達式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，所述電解水制氫過程中消耗的電能包括電解產(chǎn)生的熱能和將水壓提高到電解槽壓力所需的電能，所述電解產(chǎn)生的熱能的計算表達式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，所述碳捕集及儲存過程中二氧化碳的產(chǎn)出的計算過程包括：計算碳捕集所需的水的工作容量以及水蒸氣的吸附量；根據(jù)水蒸氣的吸附量的增加值，迭代計算二氧化碳解吸過程中的二氧化碳產(chǎn)出，所述水蒸氣的吸附量的計算表達式為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，所述碳捕集及儲存過程中還計算所需的吸附劑量，從而確定所需的吸附劑床數(shù)量，并計算對應所需的風機、真空壓縮機和熱泵的電能需求。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，甲醇合成對應的設(shè)備供能成本的計算過程中，計及進行甲醇反應所需的內(nèi)部換熱器、冷凝器和甲醇精餾塔所需的供能成本。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法，其特征在于，所述方法還包括對選取不同的海上風電技術(shù)、電解水制氫技術(shù)、碳捕集及儲存技術(shù)以及甲醇合成技術(shù)進行任意組合，從而計算對應的產(chǎn)出效率預測結(jié)果，選取最優(yōu)的組合進行海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的配置；

10.一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測裝置，其特征在于，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，處理器調(diào)用所述計算機程序執(zhí)行如權(quán)利要求1～9任一所述的方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率預測方法和裝置，方法包括：采集海上風電的歷史數(shù)據(jù)，擬合海上風電機組成本的學習曲線，從而預測單位成本上的電力產(chǎn)出效率；采集電解水制氫數(shù)據(jù)，計算氫氣產(chǎn)量和消耗的電能，從而計算單位電能成本的制氫效率；采集碳捕集及儲存數(shù)據(jù)，計算二氧化碳的產(chǎn)出效率和電能需求，從而計算單位電能成本的碳捕集效率；采集甲醇合成數(shù)據(jù)，計算甲醇合成效率和設(shè)備供能成本，結(jié)合碳捕集效率計算單位電能成本下的甲醇合成效率；綜合上述計算結(jié)果，得到海上風電耦合綠氫和綠色甲醇的產(chǎn)出效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明確保了綠色甲醇的生產(chǎn)過程不僅經(jīng)濟高效，而且環(huán)境友好，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

技術(shù)研發(fā)人員：魏文棟,龔煒庭
受保護的技術(shù)使用者：上海交通大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10