碳捕集

针对气电综合能源系统低碳调度问题，气网混氢、碳捕集、电转气均是有效的技术手段，同时碳交易机制也是控制碳排放的有效经济手段。因此，本文构建了含富液罐和贫液罐的碳捕集电厂模型，结合电转甲烷技术模型，灵活回收利用系统中的CO2；同时，构建了气网混氢技术模型提高能效，并考虑气网混氢时节点热值变化约束，以奖励式碳交易成本和运行成本之和为目标函数；最后基于改进的比利时20节点天然气系统和IEEE 39节点电力系统模型开展算例测试，结果显示综合考虑碳捕集、气网混氢和奖励式碳交易机制能提高系统低碳经济调度水平，同时调节碳价和奖励系数能灵活调节系统碳排放水平。

针对燃煤机组燃烧后脱碳能耗高的问题，基于膜冷凝器对烟气中低品位热的回收潜力，提出一种耦合膜冷凝器的碳捕集新系统。运用化工流程模拟软件Aspen plus，以Tarong常规碳捕集系统为参照，对比分析膜冷凝器用于流程改造前后碳捕集冷热负荷变化，为装置的设计和运行提供依据。在碳捕集率为90%时，相比常规碳捕集系统4.341 MJ/kg CO2的再生能耗，新系统再生能耗降低到4.275 MJ/kg CO2。通过改变新系统的关键参数发现：膜冷凝器进出口烟温和CO2捕集率一定时，烟气水回收率增加，再生能耗降低；膜冷凝器出口烟温、烟气水回收率和CO2捕集率一定时，入口烟温增加，再生能耗降低。此外，冷负荷随水回收率的增大而减小，随热回收量的增大而增大。

为充分挖掘综合能源微网(integrated energy microgrid, IEM)的潜在价值，促进可再生能源消纳，针对同一配电网下的多个IEM协同管理问题进行研究，提出了一种基于双层博弈的配电网-多IEM协同优化模型。对于IEM模型的构建，考虑在热电联产机组中加入碳捕集系统以及电转气装置，用来获取低碳效益。同时，针对IEM中可再生能源与负荷不确定性问题，采用鲁棒区间规划进行处理。首先，构建配电网运营商(distribution system operator, DSO)与IEM联盟系统模型框架，分析其不同主体间的博弈关系。其次，对于双层博弈，分为主从博弈与合作博弈。DSO作为博弈领导者，以自身效益最大为目标制定电价引导IEM联盟响应。IEM联盟作为博弈跟随者，以自身运行成本最小为目标，通过成员间互相合作能源共享响应DSO的决策。同时采用纳什谈判理论解决IEM联盟的合作运行问题，使用二分法与交替方向乘子法结合求解模型。最后，在算例中验证所提模型与方法的可行性和有效性。

在能源互补和低碳经济的背景下，虚拟电厂(virtual power plant，VPP)是实现区域资源优化配置和新能源消纳的有效载体。在技术层面，通过碳捕集电厂(carbon capture power plant，CCPP)和电转气(power-to-gas，P2G)装置来实现CO2的循环利用，建立碳捕集电厂-电转气耦合模型，并在负荷侧引入考虑用户满意度的价格型需求响应模型；在低碳政策方面，将阶梯型碳交易机制引入VPP，对碳排放进行约束。然后以总成本最小为目标，建立VPP低碳经济调度模型。通过设置不同调度场景进行对比，验证所建模型在VPP低碳经济运行方面的有效性，并通过敏感性分析探究阶梯碳交易参数对VPP碳排放量与成本的影响，结果表明所建模型对VPP进行低碳经济调度具有指导意义。

在国家重大科技项目和集团科技项目的支持下，华能集团CCUS技术研发团队开发了包括高性能商品化CO2捕集吸收剂、溶剂回收纯化技术、脱碳烟气预处理技术、CO2捕集工艺系统研发、核心设备设计、CO2捕集控制系统及电厂集成优化技术、CO2精制技术开发等一套完整的电厂烟气CO2捕集与精制技术，可提供CO2捕集工程设计、工程调试与运行、工程承包等服务，为CCUS技术产业化奠定了基础。工程化建设方面，华能集团CCUS技术团队积极推动CO2捕集技术的成果示范、转化及产业应用，采用自主知识产权技术成功建造并运行了1000吨/年到12万吨/年规模的多座燃煤燃气CO2捕集示范装置，为我国CO2捕集技术积累了大量的工程建设和运行经验。

热电联产机组以热定电的工作方式无法同时满足冬季供暖效率最大化和电力调峰需求，存在发电出力调节能力不足的问题。针对上述问题，提出了考虑电、气、热能源耦合特性以及需求响应的虚拟电厂优化调度策略。首先，为提升热电联产机组向下调峰能力，引入电制气设备和碳捕集技术，构建新型的热电联产耦合模型。其次，为提升系统运行的灵活性，考虑峰谷分时电价、热价，建立综合需求响应机制。然后，为减少系统发电成本，引入电、热储能装置，以系统总成本和电、热储能运行成本最小化为目标建立虚拟电厂双层优化模型，并根据下层优化模型的KKT（Karush-Kuhn-Tucher，KKT）条件将双层模型转为单层并线性化处理进行求解。结果表明，所提方法的碳排放、运行成本以及新能源消纳率达到最优，提升了热电机组向下调峰能力，满足了系统低碳性、经济性的需求。

从空气中直接捕集二氧化碳(Direct Air Capture，简称 DAC 技术)是一项新兴的负碳化技术，已有多个 DAC 技术项目在美国、加拿大、冰岛等国家实现规模化生产与运营。DAC 技术是遏制全球变暖趋势的一大利器，且能够最小化全生命周期减少碳足迹。但受制于目前捕集成本高(220 美金/吨~460 美金/吨)，规模化捕集受到影响。公司灵感源于世界首台直接碳捕集设备 Orca (Climeworks 公司研发，比尔盖茨投资，市值高达 70 亿美金)。黑鲸能源依托上海交大ITEWA 交叉学科团队的先进材料技术，采用聚胺浸渍高性能介孔吸附剂，研发了“基于蒸汽辅助变温变压吸附技术”的设备，可实现低能耗的空气中的二氧化碳捕集。黑鲸能源基于新吸附剂材料的突破和新工艺的研发，将成功突破捕集成本瓶颈，捕集成本能做到 120 美金吨~150 美金/吨。未来可通过扩大规模，例如采用余热回收再利用等工艺，来进一步降低能耗，从而降低 DAC 技术的捕集成本，力争实现每吨二氧化碳捕集成本 100 美金以内。

在“碳达峰”与“碳中和”背景下，为提高能源的低碳化利用，提出一种基于阶梯式碳交易机制与细化电转气和碳循环的综合能源系统（integrated energy system，IES）低碳经济运行策略。首先考虑阶梯式碳交易机制，采用碳交易市场，利用区间数与碳交易费用达到控制碳排放的目的；其次在细化电转气的基础上引入电解槽（eLectrolyzer，EL）、甲烷反应器（methane reactor，MR），并增设碳捕集装置（carbon capture system，CCS），实现碳的循环利用。最后构建以购能成本、阶梯式碳排放交易成本、弃风弃光成本、碳捕集成本最小为目标的IES优化调度模型，利用CPLEX建模优化引擎将原问题转化为混合整数线性问题对此模型进行求解，结果验证了所建模型的有效性。

工业发展带来了CO2的大量排放，在实现碳达峰碳中和目标的过程中，碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS)技术是不可或缺的关键技术。现阶段技术成熟度较高且未来发展潜力大的碳捕集方法为燃烧后碳捕集技术，主要有吸收法、吸附法、膜法以及深冷法等。对最常用的4种碳捕集方法的发展与工业应用情况进行介绍，分析了几种方法的工业适用场景，尤其是目前正在运行的大型碳捕集项目中应用最多的化学吸收法与物理吸附法。化学吸收法、吸附法以及膜法碳捕集技术的未来发展潜力巨大，能够快速推进双碳目标的达成，助力碳的近零排放。

在“碳达峰”与“碳中和”背景下，为提高能源的低碳化利用，提出一种基于阶梯式碳交易机制与细化电转气和碳循环的综合能源系统（integrated energy system，IES）低碳经济运行策略。首先考虑阶梯式碳交易机制，采用碳交易市场，利用区间数与碳交易费用达到控制碳排放的目的；其次在细化电转气的基础上引入电解槽（eLectrolyzer，EL）、甲烷反应器（methane reactor，MR），并增设碳捕集装置（carbon capture system，CCS），实现碳的循环利用。最后构建以购能成本、阶梯式碳排放交易成本、弃风弃光成本、碳捕集成本最小为目标的IES优化调度模型，利用CPLEX建模优化引擎将原问题转化为混合整数线性问题对此模型进行求解，结果验证了所建模型的有效性。