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绿氢生产与多能源存储系统协同机制研究。提出能源社区与外部云多能存储系统（CMES）的氢能-存储服务互换模式，通过条件风险价值（CVaR）模型协调多能源载体存储与风险控制，案例分析显示氢能交换系数变化导致社区成本6.4倍波动。
穆罕默德·雷扎·萨利赫伊扎德（Mohammad Reza Salehizadeh）| 杰伊·刘（Jay Liu）| 阿米尔侯赛因·尼库法德（Amirhossein Nikoofard）
韩国釜山浦项国立大学清洁生产技术研究所
摘要
为了满足城市地区对氢能的需求（例如为燃料电池电动汽车（FCEVs）提供燃料），家庭参与绿色氢能生产可以带来巨大益处。同时，储能系统有助于家庭更高效地管理能源。然而，由于成本高昂，个人储能系统往往难以负担。本文提出了一种新的机制：家庭通过向外部云式多能源储能系统（CMES）生产氢气来换取储能服务。在这种机制下，家庭组成一个能源社区，在多能源系统的支持下满足其电力、供暖和制冷需求。本文开发了一个基于风险的数学模型，以确定能源社区与CMES协同运行的最佳方案。通过分析德克萨斯州奥斯汀市的修改数据，研究了四种不同交易系数和五种风险级别的子案例。结果表明，交易系数的变化会显著影响能源社区的成本。例如，当风险系数从案例III的增加到案例IV的1.33倍时，成本函数增加了6.4倍。这些研究结果为政策制定者在推动城市地区氢能利用方面提供了参考。
引言
可靠的氢能供应对于支持城市地区的FCEVs至关重要。一个有前景的思路是让住宅建筑参与氢能生产。为了激励住宅建筑更有效地贡献绿色氢能生产，需要在外部提供处理和储存基础设施、经济激励以及适当的监管框架。参考文献[1]提出了一种方法，使家庭能够分享多余的太阳能来生产绿色氢能，并通过能源信用来降低高峰时段的电力成本。在[1]的基础上，参考文献[2]进一步提出了一种方法，将住宅建筑整合到一个能源社区中，向加氢站供应多余的太阳能电力，并在需求响应期间获得能源信用。[1]和[2]的目标是鼓励家庭参与绿色氢能生产，以提高城市氢能的可用性并减少对化石能源的依赖，从而促进可持续性。然而，这些研究仅考虑了电能，而忽略了家庭使用的其他能源载体（如供暖和制冷），这些因素对家庭的总能源消耗和排放有显著影响。在欧盟，建筑约占总能源消耗的40%[3]。根据同一报告，建筑负责欧盟超过三分之一的能源相关温室气体排放，其中约80%的家庭能源用于供暖、制冷和热水。这强调了在任何与可持续性相关的研究中，除了电力外，还需要考虑供暖和制冷的重要性。在这方面，必须考虑多能源系统，因为多能源系统已被证明比单独的能源系统具有更好的环境性能[4]。
从另一个角度来看，建立利用共享高效多能源系统的能源社区符合世界许多地区的法规，如欧盟指令2018/844[5]和“所有欧洲人的清洁能源”计划[6]。为了实现这些目标，能源社区依赖储能系统来有效管理可再生能源的固有不确定性，并减轻价格波动带来的风险。此外，在价格低时储存能源并在价格高时使用能源，可以使能源社区降低运营成本。然而，在住宅层面，电池的采用率远远落后于光伏系统。在整个欧洲，大约有1000万套住宅光伏系统，但只有约110万套住宅电池[7]。个人储能投资的几个障碍包括公众对储能的认识和熟悉度低、财务成本高、消费者信任度不足、监管不确定性、社区层面的支持有限，以及操作挑战（如电池寿命和在没有额外收入流的情况下的盈利能力[8]。参考文献[8]指出，当储能系统的收益直接归社区所有时，更有可能获得接受。根据NREL[9]的数据，4小时规模的锂离子电池系统的成本预计将在2030年从326美元/千瓦时降至2050年的226美元/千瓦时，这表明在未来二十年里，社区和公用事业规模的储能系统的可负担性将显著提高。尽管社区储能系统前景广阔，但能源社区的投资需要家庭积极参与以及来自传输和分配系统运营商等更高层级系统的财务或政策支持[10]。一个有效的解决方案是让能源社区能够选择在附近的云储能系统中预留容量，并将其用于日常运营。本文正是基于这一核心思想，提出了一个由多能源系统支持的能源社区（MEC）。然而，在本研究的背景下，也必须关注其他能源载体的储存需求。
近年来，除了电能外，对其他能源载体的储能系统的需求也在增加。例如，在德国、荷兰和丹麦等国家，热能储存项目正在扩展[11]、[12]、[13]。尽管对供暖和制冷等能源载体的储能解决方案的需求不断增加，但投资挑战仍然存在。因此，全球范围内引入了各种补贴政策来支持企业和消费者的储能投资[10]。例如，在美国，能源储存协会正在审议的一项联邦法案旨在扩大储能系统投资成本的激励范围[14]。同样，在德国，住宅项目的预算分配是政府支持电池储能投资的一个实际例子[15]。对于热能储存系统而言，技术经济可行性仍然是一个关键挑战[16]。类似的问题也存在于制冷储存领域。因此，为每栋房屋提供单独的储存设施是不可行的。此外，协作投资储能系统需要上层网络的仔细考虑和支持，而这目前实施起来颇具挑战性[10]。
因此，在当前情况下，要充分利用多能源系统的优势，MEC需要能够获得可靠且灵活的外部储能服务。需要注意的是，虽然MEC需要储能服务，但它也必须为城市地区的FCEVs生产氢气，因为FCEVs越来越被认为是可持续城市交通的关键要素[17]。为同时解决这些问题，本文提出了一种基于交易的机制，使MEC与外部CMES之间进行交易。通过这种机制，社区为城市地区的FCEVs生产氢气，从而获得储能服务——这种互利交换提高了氢能的可用性，并增强了MEC内住宅建筑的盈利能力。虽然将氢气注入天然气网络被提出作为促进氢能生产的解决方案[18]，但本研究关注的是一个由于基础设施限制（如管道不兼容性、缺乏混合标准和安全问题）而限制了这种整合的城市地区。因此，假设CMES通过专用储罐捕获多能源社区生产的氢气。
本文提出的机制通过解决储能系统高投资成本的障碍，增强了MEC的能力。表1概述了本研究介绍的方法论与现有氢能推广研究之间的主要区别。在这个框架下，可以识别出以往工作的主要知识空白和局限性：
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由于缺乏明确和成熟的市场机制来确定能源社区生产的氢气的经济价值，以往的研究没有考虑可行的交易机制。
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在住宅氢能推广的文献中，现有的方法论没有提出有效的储能提供策略来提高多能源系统的性能，而无需额外投资。
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关于氢能推广的文献大多忽略了为住宅建筑提供其他必要能源载体（如供暖和制冷）的问题。此外，没有现有研究提出一个全面的储能机制来满足所有这些载体的需求。
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现有的方法论都没有研究氢气作为中间载体的影响，即使它没有被直接消耗。
为了解决这些知识空白，本研究提出的方法论包含了以下贡献：
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提出了一种以氢气交换储能服务的交易机制。这种机制通过建立MEC来促进城市地区的氢能推广。
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引入了MEC与基于云的储能之间的有效互动机制，以避免不必要的投资。
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开发了一个多能源云储存系统，为多种载体（电力、供暖、制冷和氢气）提供储存服务，并提出了一种综合方法来整合这些载体，以满足能源社区内的需求。
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在案例研究中，即使氢气没有被直接消耗，也研究了其在多能源系统中的中间载体角色。
更详细地说，我们提出了一种在能源社区内利用储能系统的新型框架。为此，我们假设有一个包含四个子系统的外部CMES：制冷储存、热储存、电力储存和氢气储存。MEC将与这个CMES互动，本文的一个关键贡献就是提出了这种互动机制。由于负载和价格都存在不确定性，因此采用了随机规划方法，同时考虑了风险因素。风险使用条件风险价值（CVaR）进行建模。这项工作代表了多向量能源社区概念的进步，其中能源社区通过多能源系统获取必要的能源载体（如供暖、制冷和电力）。此外，为了满足储存需求，该方法还利用了多向量云储能系统的预订和利用。
方法论
如“引言”部分所述，本研究的目标是提供一种方法论，使能源社区能够利用CMES，同时促进城市地区的氢能生产。“系统描述”部分介绍了系统组件，并全面展示了互动机制。“交易模型”部分描述了氢气和储能服务的交易模型。“两阶段基于风险的随机规划”部分介绍了
数值分析
所提出的方法论在基于德克萨斯州奥斯汀市数据的假设案例研究中进行了测试，这些数据改编自Pecan Street数据集[30]、[31]。为了考虑家庭制冷、供暖和电力需求以及电动汽车充电和能源价格的不确定性，定义了五种代表性场景。这些场景的实时天然气和电力价格变化如图C.8所示。更多细节包括
结论
在本文中，我们提出了一种促进城市地区氢能利用的新方法论。该方法基于建立能源社区，其中住宅单元贡献多余的电力用于氢气生产。此外，引入了CMES来提供从电池到氢气的多种能源形式的储存服务。结果表明，所提出的方法论对能源社区的盈利能力有显著影响。
CRediT作者贡献声明
穆罕默德·雷扎·萨利赫伊扎德（Mohammad Reza Salehizadeh）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论制定、调查、形式分析、数据整理。杰伊·刘（Jay Liu）：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。阿米尔侯赛因·尼库法德（Amirhossein Nikoofard）：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划的支持，该计划由科学和信息通信技术部资助（RS-2024-00337129）
