一种创新的地下绿色氨储存长期调度框架：平衡季节性波动与出口路径

《International Journal of Human-Computer Studies》：A novel long-term scheduling framework for underground green ammonia storage: Balancing seasonal fluctuations and export pathways

绿氨地下盐穴储存与多能互补调度框架研究。提出两阶段分解优化模型，协调绿氨生产、地下储存与海外出口，实现季节能量平衡。基于南澳大利亚实证数据，相比日调度模型，系统利润提升18%，验证了长期协同调度的有效性。关键创新包括动态缓冲罐设计、盐穴稳定性约束及出口物流协同机制。

　　随着全球对可再生能源依赖的增加，长周期能量储存的需求变得愈发迫切，特别是在应对季节性能源波动和确保稳定能源供应方面。氨作为一种具有高能量密度和成熟基础设施的物质，正在被广泛视为大规模能量储存的有力候选者。然而，关于如何在综合能源系统中优化地下氨储存的调度，尤其是结合海洋出口路径的研究仍然较为有限。本文提出了一种长期调度框架，通过一个基于两阶段分解的优化模型，将氨生产、地下盐洞储存、运输过程和能源转换技术整合起来，以协调国内平衡与海外出口。通过对南澳大利亚真实数据的模拟结果表明，所提出的协调调度框架相比基于短期（每日）调度的基准模型，可使系统利润提升约18%，验证了其在储存与出口操作季节性协调方面的有效性。此外，敏感性分析进一步证明了该框架在不同市场和系统条件下的稳健性。

氨作为一种绿色能源载体，其合成过程依赖于可再生能源。具体来说，绿色氨是通过水的电解产生氢气，然后利用哈伯-博世工艺与大气中的氮气反应生成的。这一过程与传统的氨生产方式形成鲜明对比，后者通常会产生大量的温室气体排放。绿色氨不仅为农业、能源储存和交通运输提供了碳中和的替代方案，而且由于其高能量密度、易于液化以及与现有基础设施的兼容性，被视为低碳经济转型中的关键组成部分。据国际能源署预测，到2050年，全球氨需求预计将达到目前水平的三倍，从2020年的1.85亿吨增长到5.55亿吨。这一需求的增长主要源于氨在化肥生产和清洁能源中的双重作用，预计将在难以减排的领域如航运、电力生产和重工业中发挥核心作用。

尽管将氢气转化为氨会带来一定的能量损失，但氨在储存稳定性、能量密度以及全球运输基础设施方面的优势使其成为更具实用性的能量载体。这一策略已经在多个重大项目中得到体现，例如日本的绿色创新基金，该项目从澳大利亚进口绿色氨以实现发电厂的脱碳；沙特阿拉伯的NEOM项目则通过可再生能源生产氨并将其重新转化为氢气进行出口。这些实例表明，氨在长距离能量运输和季节性储存方面具有重要作用，能够有效克服氢气在物流上的局限性。

目前，全球已有约176个氨终端和65艘加油船在运营，构成了日益增长的全球氨供应链的基础。然而，传统的地上储存罐虽然广泛应用，但存在成本高、占用土地多以及难以安全扩展以满足大型进口和出口枢纽所需的高容量、长周期储存需求等缺点。随着国际氨贸易的日益频繁，这些限制使得地下储存不仅成为优选方案，而且成为必要选择。虽然一些地下储存方案，如废弃的油气储层或含水层，已被用于其他气体的储存，但它们并不适合氨的储存。氨与水反应强烈，且在多孔、含水的地质结构中储存时存在污染和降解的高风险。这些环境和化学兼容性问题严重限制了使用这些地质结构进行氨储存的可行性。相比之下，盐洞提供了可扩展且安全的解决方案。它们能够在地下条件下实现高密度、稳定的液态氨储存，其储存密度在相同压力和温度条件下比超临界氢气高数倍。

为了维持盐洞的稳定应力状态，防止因压力变化和重复装载而导致的损害，工业实践通常限制注入和提取操作每年不超过几次。报告的数值范围从每年最多12次，但在大多数情况下，采用8到10次的周期以平衡气体供应能力与盐洞的稳定性，防止过度蠕变或疲劳。在储存期间，压力通常保持在接近恒定的操作水平。为了应对短期供需波动，我们的模型引入了一个地表缓冲系统（一系列储罐）。该系统用于管理短期波动，而盐洞则按照季节性调度进行注入和提取。这种设置有助于保持盐洞的应力稳定。优化模型本身保持不变，短期调度应用于地表储存，而盐洞本身每年最多允许八次操作。

在盐洞典型的压力和温度条件下，氨可以以液态和气态的两相混合形式存在，特别是在频繁的注入和提取操作中。为了减少两相流现象的发生及其操作挑战，模型中融入了三项实际的设计考量。首先，限制注入和提取操作的次数至每年最多八次，从而减少压力和温度波动的幅度和频率，以避免气态形成。其次，在盐洞顶部引入干燥氮气作为缓冲气体，以稳定内部压力并抑制液态氨与气态氨之间的相变。第三，采用底部提取配置，以实现液态提取并减少气态，同时保持提取的稳定性。这些措施共同降低了两相流的可能性，降低了操作风险，并提高了大规模盐洞氨储存的可行性。

近年来，氨已成为向碳中性能源系统过渡的重要组成部分。许多研究提出了基于优化的框架，将电力制氨（Power-to-Ammonia，P2A）技术与可再生能源发电相结合。这些研究涵盖了多个方面，例如分布式鲁棒优化模型用于整合电力、热能和氨的微电网系统，利用氨作为燃气轮机的共燃燃料并回收其生产过程中的废热；氧气富集燃烧与P2A的结合，强调了氨合成过程中氧气的再利用以及二氧化碳的捕获；粒子群优化和混合整数线性规划（MILP）被用于在可再生能源输出波动的情况下最大化绿色氨系统的盈利能力；调度方法被引入以适应氨生产的负载波动；在GreenLab Skive项目中，氨工厂被整合进基于氢气的能源管理系统，优化氨生产与电池和电解单元的协同；对时间电价下P2A的经济可行性进行了评估，并比较了氢气和氨作为竞争性能量载体的优劣；在循环经济框架下，将氨视为绿色氢气和氮气合成的中间产物，主要用于尿素生产，以提高系统盈利能力和碳再利用；另一项研究则探讨了氨与煤炭或天然气共燃以减少碳排放并支持电网灵活性的潜力；还有一项研究通过MILP方法优化了包含多个电解单元和氨储存设施的P2A系统设计和运行；调度模型则整合了氨混合热能系统，以评估成本、能耗和排放之间的权衡；此外，一项丹麦研究提出了一个可再生能源枢纽的盈利最大化模型，该枢纽生产氢气、甲醇和氨。

虽然[16]和[18]分别探讨了长期氨调度的不同方面，但它们都存在一些局限性。例如，[16]考虑了年度氨生产，但未包含储存系统的终端条件。本文通过实施全年建模，应用现实的储罐约束，并确保储存水平的终端一致性，克服了这些不足。同样，[18]虽然依赖于三个代表性集群来处理日常调度，但忽略了季节内的动态变化，并未施加物理储罐容量限制。此外，它缺乏终端条件以确保规划终点的储存水平等于初始水平，这是实现重复长期运行的必要条件。

可再生能源的生成往往与需求高峰不匹配。例如，在加利福尼亚州，2018年的太阳能光伏弃风量达到了432,000兆瓦时，主要出现在三月、四月和十月，这些时间段太阳能输出高，但电力需求相对较低。如果没有有效的储存和调度机制，这种不匹配将导致能源浪费，并未能充分利用可再生能源的发电能力。因此，将过剩的可再生能源在发电高峰期储存，并在低供应期使用，为缓解这种不匹配提供了一条实际路径。

然而，传统的电气电池在实现季节性能源平衡所需的规模储存方面存在诸多限制，包括随时间推移的性能退化、高成本以及不适合长期储存的特性。为了解决这一挑战，可以将电力转换为更耐用和可扩展的能量载体。在这些载体中，氨因其高能量密度、长期储存稳定性、安全且实际的运输性以及现有的基础设施，成为大规模能量储存和贸易的有力候选者。为了充分实现这一潜力，特别是通过盐洞地下储存实现高密度、稳定的液态储存，需要先进的调度策略，以将注入和提取操作与供需的季节性模式相协调。

本文研究的目的是回答以下问题：如何对地下绿色氨储存进行优化调度，以实现季节性波动的平衡和出口？据我们所知，目前尚无专门针对地下氨储存系统操作特性设计的数学调度框架。本文旨在填补这一空白，通过开发一个模型，使基于氨的季节性能量储存能够在脱碳的能源系统中实现成本效益。

本研究提出了一种综合系统，该系统利用太阳能通过电解生产氢气，并通过空气分离单元（ASU）生产氮气，随后在哈伯-博世工艺中合成氨。合成的氨被储存在地下盐洞中，用于应对能源短缺时期的需求，并通过海运出口到海外市场。这种方法不仅通过在发电高峰期捕获过剩的太阳能来缓解太阳能的间歇性，还能在可再生能源供应不足时确保稳定的能源供应，同时为海外市场的氨出口提供可靠的途径。本文的主要贡献包括：

1. 本研究首次开发了一个针对地下绿色氨长期调度的数学协调调度框架。该框架能够在考虑储存系统操作特性的同时，实现对绿色氨的高效调度。

2. 本文提出了一种定制化的能源管理系统，该系统采用分解方法将长期随机优化问题分解为高效的每日子问题，从而使得基于氨的长期能源系统能够在管理季节性波动的同时，通过氨出口最大化利润。

3. 本文引入了一个能源管理系统模型，该模型在循环经济框架中明确整合了盐洞及其相关基础设施，为实现可持续的氨储存和利用提供了新的视角。

本文的其余部分结构如下。第二部分介绍了综合能源系统，包括氨生产、地下储存、支持技术以及运输过程，并给出了长期调度模型的数学公式。第三部分描述了所提出的两阶段优化框架。第四部分概述了案例研究的设置和模拟细节，而第五部分则报告并讨论了数值结果。最后，第六部分总结了研究内容并得出了结论。