CN113794227B - 一种实现碳循环的综合能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种实现碳循环的综合能源系统，该系统包括：能源生产模块，用于利用可再生能源设备生产电能、热能、氢气、二氧化碳；能源调度模块，用于电能、热能、氢气的集成与分配，及对捕集的二氧化碳注入地层封存；能源储存模块，用于对热能及电能存储或释放。该方案通过能源生产模块，从能源生产端减少碳的释放，通过能源调度模块实现碳的封存，使该综合能源系统在运行过程中以电、热、氢能源实现高效低碳循环。

Description

一种实现碳循环的综合能源系统
技术领域
本发明属于能源技术领域，特别涉及一种实现碳循环的综合能源系统。
背景技术
碳排放引发的气候变化已成为全球性安全问题。世界气象组织2020年发布的《温室气体公报》指出，大气中温室气体的增加已成为一种长期趋势。2019年，全球二氧化碳(CO2)平均浓度达到410.5ppm，已极为接近国际科学界公认的警戒线。因此，在能源革命的背景下，加快能源系统的减排脱碳，实现碳中和的最终目标，已成为全球研究的热点问题。
发明内容
本说明书实施例的目的是提供一种实现碳循环的综合能源系统，可以实现高效低碳循环。
为解决上述技术问题，本申请实施例通过以下方式实现的：
本申请提供一种实现碳循环的综合能源系统，该系统包括：
能源生产模块，用于利用可再生能源设备生产电能、热能、氢气、二氧化碳；
能源调度模块，用于电能、热能、氢气的集成与分配，及对捕集的二氧化碳注入地层封存；
能源储存模块，用于对热能及电能存储或释放。
在其中一个实施例中，能源生产模块包括新能源发电制氢单元、固体生物质气化发电单元、沼气重整制氢单元；
新能源发电制氢单元，用于采用新能源设备生产电能，电能中一部分用于电解水制氢设备制备氢气，氢气输出至能源调度模块，电能中另一部分直接输出至能源调度模块；
固体生物质气化发电单元，用于将固体生物质燃料生成电能、热能、二氧化碳，并将电能、热能、二氧化碳输出至能源调度模块；
沼气重整制氢单元，用于将沼气生成氢气、热能、二氧化碳输出至能源调度模块。
在其中一个实施例中，新能源发电制氢单元中所有新能源设备在t时间段内的发电功率总和等于电解水制氢设备在t时间段的耗电功率与新能源发电制氢单元在t时间段内的发电功率之和。
在其中一个实施例中，新能源发电制氢单元在t时间段的产氢速率根据电解水制氢设备在t时间段内的耗电功率、电解水制氢设备的工作电压、法拉第效率确定，产氢速率小于或等于产氢速率阈值且产氢速率为非负数。
在其中一个实施例中，固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率根据生物质燃料消耗速率确定；
固体生物质气化发电单元在t时间段内的产热功率根据固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率确定；
固体生物质气化发电单元在调度时间段内排放的二氧化碳量根据固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率及产热功率确定。
在其中一个实施例中，沼气重整制氢单元在t时间段内的产氢速率根据沼气消耗速率确定；
沼气重整制氢单元在t时间段内输出的热功率根据沼气消耗速率确定；
沼气重整制氢单元中排放的二氧化碳量根据沼气重整制氢单元在t时间段内输出的热功率确定。
在其中一个实施例中，能源调度模块包括变电单元、换热单元、加氢单元、碳捕集单元；
变电单元，用于接收能源生产模块生产的电能，并将电能提供至能源消费模块，且接收能源生产模块输送的电能与提供至能源消费模块的电能实时平衡；
换热单元，用于接收能源生产模块生产的热能，并将热能提供至能源消费模块，且接收能源生产模块输送的热能与提供至能源消费模块的热能实时平衡；
加氢单元，用于接收能源生产模块生产的氢气，并将氢气提供至能源消费模块，且接收的氢气与提供至能源消费模块的氢气无需实时平衡；
碳捕集单元，用于捕集能源生产模块产生的二氧化碳，及捕集能源消费模块产生的二氧化碳，并将所有二氧化碳封存。
在其中一个实施例中，变电单元，还用于若接收的电能大于提供至能源消费模块的电能，则将接收的多余的电能输送至能源储存模块，以使能源储存模块存储电能；若接收的电能小于能源消费模块所需的电能，则接收能源储存模块释放的电能；则接收能源生产模块输送的电能与提供至能源消费模块的电能、能源储存模块储存的电能及释放的电能实时平衡。
在其中一个实施例中，换热单元，还用于若接收的热能大于提供至能源消费模块的热能，则将接收的多余的热能输送至能源储存模块，以使能源储存模块存储热能；若接收的热能小于能源消费模块所需的热能，则接收能源储存模块释放的热能；则接收能源生产模块输送的热能与提供至能源消费模块的热能、能源储存模块储存的热能及释放的热能实时平衡。
在其中一个实施例中，加氢单元中在t+1时间段剩余氢气总量根据t时间段剩余氢气总量、能源生产模块在t时间段内的产氢量、能源消费模块在t时间段内的耗氢量确定。
由以上本说明书实施例提供的技术方案可见，
(1)本申请通过能源生产模块，从能源生产端减少碳的释放，通过能源调度模块实现碳的封存，使该综合能源系统在运行过程中以电、热、氢能源实现高效低碳循环。
(2)本申请将能源由化石燃料向可再生能源与清洁无碳二次能源转变，能源生产模块以可再生能源为驱动，能源调度模块与能源储存模块以清洁无碳二次能源为枢纽，为综合能源系统规划设计和优化调度提供可行参考。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的实现碳循环的综合能源系统的结构示意图；
图2为本申请提供的新能源发电制氢单元工作原理图
图3为本申请提供的固体生物质气化发电单元工作原理图；
图4为本申请提供的沼气重整制氢单元工作原理图；
图5为本申请提供的冶金工厂与化工工厂的电能、热能、氢气负荷图；
图6为本申请提供的风力发电机组和光伏发电机组的发电量输出图；
图7为本申请提供的综合能源系统中各单元的运行情况图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书保护的范围。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
在不背离本申请的范围或精神的情况下，可对本申请说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本申请的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本申请中的“份”如无特别说明，均按质量份计。
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
参照图1，其示出了适用于本申请实施例提供的实现碳循环的综合能源系统的结构示意图。
如图1所示，实现碳循环的综合能源系统，可以包括：
能源生产模块10，用于利用可再生能源设备生产电能、热能、氢气、二氧化碳；
能源调度模块20，用于电能、热能、氢气的集成与分配，及对捕集的二氧化碳注入地层封存；
能源储存模块30，用于对热能及电能存储或释放。
具体的，生产电能、热能、氢气及二氧化碳的可再生能源设备可以包括将太阳能或光转换为电能的光伏发电板、将风能转换为电能的风机等其他设备，还可以包括将固体生物质燃料气化的气化炉，还可以包括将沼气转换为氢气的制氢设备。
可以理解的，本申请实现碳循环的综合能源系统中能源调度模块分配的电能、热能及氢气主要提供给能源消费模块使用。当能源消费模块所需电能和/或热能大于能源调度模块分配的电能和/或热能时，能源储存模块释放存储的电能和/或电能。当能源消费模块所需电能和/或热能小于能源调度模块分配的电能和/或热能时，能源储存模块存储能源消费模块多余的电能和/或热能。
能源消费模块主要选取高耗能用户。中国传统工业部门的碳排放约占碳排放总量的40％。其中，冶金工业和化工工业的CO2排放量分别占CO2总排放量的40％和10％，是主要的CO2排放行业。在图1中，能源消耗模块以冶金工厂与化工工厂为例示出。
还可以理解的，能源消费模块使用电能、热能及氢气后可能会产生二氧化碳，产生的二氧化碳会输出至能源调度模块，以使能源调度模块对二氧化碳进行封存。
本实施例中，能源生产模块中以可再生能源替代化石能源减少地层碳释放；能源调度模块及能源储存模块以电、热、氢气无碳能源为高耗能行业供能，减少耗能行业碳排放负担；能源调度模块可以将能源生产模块及能源消费模块产生的二氧化碳回收，并进行地层封存。
在一个实施例中，继续参照图1，能源生产模块10包括新能源发电制氢单元110、固体生物质气化发电单元120、沼气重整制氢单元130；
新能源发电制氢单元110，用于采用新能源设备生产电能，电能中一部分用于电解水制氢设备制备氢气，氢气输出至能源调度模块，电能中另一部分直接输出至能源调度模块；
固体生物质气化发电单,120，用于将固体生物质燃料生成电能、热能、二氧化碳，并将电能、热能、二氧化碳输出至能源调度模块；
沼气重整制氢单元130，用于将沼气生成氢气、热能、二氧化碳输出至能源调度模块。
具体的，如图2所示，新能源发电制氢单元110，利用光伏发电机和风机分别将太阳能和风能转换为交流电，交流电一部分用于质子交换膜电解水制氢设备制备氢气，并将氢气输出至能源调度模块；交流电另一部分直接作为电力输出，输出至能源调度模块20。
在一个实施例中，新能源发电制氢单元110中所有新能源设备在t时间段内的发电功率总和等于电解水制氢设备在t时间段的耗电功率与新能源发电制氢单元在t时间段内的发电功率之和，即：
其中，Pt,PV是光伏发电机组(所有光伏发电机的组合)在t时间段的发电功率，Pt,WT是风机发电机组(所有风机的组合)在t时间段的发电功率；Pt,PWE是电解水制氢设备在t时间段的耗电功率；Pt,C是新能源发电制氢单元110在t时间段的发电功率；为调度时间段集合。
新能源发电制氢单元110在t时间段的产氢速率根据电解水制氢设备在t时间段内的耗电功率、电解水制氢设备的工作电压、法拉第效率确定，产氢速率小于或等于产氢速率阈值且产氢速率为非负数。
示例性的，新能源发电制氢单元110在t时间段的产氢速率Qt,C,H2为：
其中，Vm是气体的摩尔体积(22.4L/mol)；ηF是法拉第效率；zH2是电解水反应中每生成一摩尔氢气转移的电子数(2mol e-/mol H2)；F是法拉第常数(96485C/mol)；VPWE是电解水制氢设备的工作电压，单位为V；QC,H2,max是最大产氢速率，单位为Nm3/h。
如图3所示，固体生物质气化发电单元120，首先将固体生物质燃料通过气化炉气化为合成气，再通过净化系统净化为燃料气，最后燃料气通过热电联产装置产生热能、电能、二氧化碳(CO2)，分别作为热力、电力、二氧化碳输出至能源调度模块20。
在一个实施例中，固体生物质气化发电单元120在t时间段内的发电功率根据生物质燃料消耗速率确定；
固体生物质气化发电单元120在t时间段内的产热功率根据固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率确定；
固体生物质气化发电单元120在调度时间段内排放的二氧化碳量根据固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率及产热功率确定。
固体生物质气化发电单元120在t时间段内的发电功率Pt,M可以为：
其中，Vt,M是固体生物质气化发电单元120在t时段生物质固体燃料消耗速率，单位为kg/h；ηM2G是固体生物质燃料转化为燃料气的转化效率；ηECU是固体生物质气化发电单元120中热电联产装置的发电效率；λM是固体生物质燃料的燃烧热值(15MJ/kg)。
其中，
其中，ΔPmax,CU是固体生物质气化发电单元120中热电联产装置最大调节功率，单位为MW；Vmax,M是固体生物质燃料的最大消耗速率，单位为kg/h。
固体生物质气化发电单元120在t时间段内的产热功率Ht,M(单位为MW)可以为：
其中，ηHCU是固体生物质气化发电单元120中热电联产装置的产热效率。
固体生物质气化发电单元120在调度时间段内排放的二氧化碳量CM,CO2(单位为t)可以为：
其中，Δt是时间段；ζM是二氧化碳排放系数。
如图4所示，沼气重整制氢单元130首先通过除杂装置将沼气中的杂质分离出去，获得以甲烷为主的燃料气，然后将燃料气通过转化炉及变换炉进行重整制氢(其中会产生二氧化碳)，将制得的氢气及产生的二氧化碳均输出至能源电镀模块，同时可以通过余热回收锅炉回收燃烧过程中的热量，并输出至能源调度模块。
在一个实施例中，沼气重整制氢单元130在t时间段内的产氢速率根据沼气消耗速率确定；
沼气重整制氢单元130在t时间段内输出的热功率根据沼气消耗速率确定；
沼气重整制氢单元130中排放的二氧化碳量根据沼气重整制氢单元在t时间段内输出的热功率确定。
沼气重整制氢单元130在t时间段内的产氢速率Qt,G,H2(单位为Nm3/h)可以为：
其中，Vt,G是沼气重整制氢单元130在t时间段沼气消耗速率，单位为kg/h；ηCH4是沼气转化为甲烷效率；ηH2是燃料气重整制氢的效率；ρH2是标况下氢气密度(0.089kg/Nm3)。
其中，
其中，VG,max是沼气消耗最大速率。
沼气重整制氢单元130在t时间段内输出的热功率Ht,G(单位为MW)可以为：
其中，ηH是余热回收锅炉的热转化效率，λCH4是甲烷燃烧热值(50MJ/kg)。
沼气重整制氢单元130中排放的二氧化碳量CG,CO2(单位为t)可以为：
其中，ζG是二氧化碳排放系数。
在一个实施例中，能源调度模块20包括变电单元210、换热单元220、加氢单元230、碳捕集单元240；
变电单元210，用于接收能源生产模块生产的电能，并将电能提供至能源消费模块，且接收能源生产模块输送的电能与提供至能源消费模块的电能实时平衡；
换热单元220，用于接收能源生产模块生产的热能，并将热能提供至能源消费模块，且接收能源生产模块输送的热能与提供至能源消费模块的热能实时平衡；
加氢单元230，用于接收能源生产模块生产的氢气，并将氢气提供至能源消费模块，且接收的氢气与提供至能源消费模块的氢气无需实时平衡；
碳捕集单元240，用于捕集能源生产模块产生的二氧化碳，及捕集能源消费模块产生的二氧化碳，并将所有二氧化碳封存。
可选的，变电单元210，还用于若接收的电能大于提供至能源消费模块的电能，则将接收的多余的电能输送至能源储存模块，以使能源储存模块存储电能；若接收的电能小于能源消费模块所需的电能，则接收能源储存模块释放的电能；则接收能源生产模块输送的电能与提供至能源消费模块的电能、能源储存模块储存的电能及释放的电能实时平衡。
示例性的，变电单元210对电能进行集成与分配，需要满足供需实时平衡，约束如下：
其中，Pt,C是新能源发电制氢单元110在t时间段的发电功率；Pt,M是固体生物质气化发电单元120在t时间段内的发电功率；Pt,L是能源消费模块用户的用电负荷；Pt,Ch是能源储存模块的充电功率；Pt,Dch是能源储存模块的放电功率。
可以理解的，当能源生产模块输送的电能大于能源消费模块消耗的电能时，能源储存模块存储电能，即能源储存模块的放电功率为0；当能源生产模块输送的电能小于能源消费模块消耗的电能时，能源储存模块需释放电能，即能源储存模块的充电功率为0；当能源生产模块输送的电能等于能源消费模块消耗的电能时，能源储存模块既不需要存储电能也不需要释放电能，即能源储存模块的放电功率和充电功率均为0。
可选的，换热单元220，还用于若接收的热能大于提供至能源消费模块的热能，则将接收的多余的热能输送至能源储存模块，以使能源储存模块存储热能；若接收的热能小于能源消费模块所需的热能，则接收能源储存模块释放的热能；则接收能源生产模块输送的热能与提供至能源消费模块的热能、能源储存模块储存的热能及释放的热能实时平衡。
示例性的，换热单元220对热能进行集成与分配，在不考虑热网管道时需要满足供需实时平衡，约束如下：
其中，Ht,M为固体生物质气化发电单元120在t时间段内的产热功率；Ht,G为沼气重整制氢单元130在t时间段内输出的热功率；Ht,L是能源消费模块用户的用热负荷；Ht,Ch是能源储存模块的储热功率；Ht,Dch是能源储存模块的放热功率。
可以理解的，当能源生产模块输送的热能大于能源消费模块消耗的热能时，能源储存模块存储热能，即能源储存模块的放热功率为0；当能源生产模块输送的热能小于能源消费模块消耗的热能时，能源储存模块需释放热能，即能源储存模块的储热功率为0；当能源生产模块输送的热能等于能源消费模块消耗的热能时，能源储存模块既不需要存储热能也不需要释放热能，即能源储存模块的放热功率和储热功率均为0。
在一个实施例中，加氢单元230中在t+1时间段剩余氢气总量根据t时间段剩余氢气总量、能源生产模块在t时间段内的产氢量、能源消费模块在t时间段内的耗氢量确定。
示例性的，加氢单元230对氢气进行集成与分配，不需要满足供需实时平衡，约束如下：
St,H2是加氢单元在t时间段剩余氢气总量，单位为Nm3；Qt,L,H2是能源消费模块用户在t时间段所需氢气量(即耗氢速率)，单位为Nm3/h；Qt,C,H2是新能源发电制氢单元110在t时间段的产氢速率，单位为Nm3/h；Qt,G,H2是沼气重整制氢单元130在t时间段内的产氢速率，单位为Nm3/h。
可以理解的，在t时间段剩余氢气总量St,H2应小于加氢单元的氢气容量Smax,H2，即：
还可以理解的，新能源发电制氢单元110在t时间段的产氢速率与Qt,G,H2是沼气重整制氢单元130在t时间段内的产氢速率之和小于加氢单元最大可注入氢气速率QH2,max，即：
在一个实施例中，碳捕集单元240中捕集的二氧化碳总量CCO2包括能源消费模块用户排放的二氧化碳总量CL,CO2与能源生产模块中生产的二氧化碳总量，即：
CCO2＝δMCM,CO2+δGCG,CO2+δLCL,CO2
其中，CM,CO2是固体生物质气化发电单元120在调度时间段内排放的二氧化碳量；CG,CO2是沼气重整制氢单元130中排放的二氧化碳量，δM、δG、δL分别是固体生物质气化发电单元120、沼气重整制氢单元130、能源消费模块用户的二氧化碳捕集率。
其中，能源消费模块用户排放的二氧化碳总量CL,CO2为：
其中，ζL是能源消费模块用户的二氧化碳排放系数。
可以理解的，能源储存模块30中储电和储热原理类似，本实施例中以储电为例进行说明。
具体的，能源储存模块30中储电单元的充电与放电状态不可同时进行，充放电功率约束为：
其中，PCh,t和PDch,t分别为储电单元的充电功率和放电功率，单位为MW；PCh,max和PCh,min是储电单元充电功率的上下限，单位为MW；PDch,max和PDch,min是储电单元放电功率的上下限，单位为MW；vCh,t和vDch,t均为0-1变量，表示其充放电状态，vCh,t为1表示储电单元充电，vDch,t为1表示储电单元放电。
第t+1时间段中的荷能状态为：
Xt+1＝(1-σ)Xt+(ηChPCh,t+1-PDch,t+1/ηDch)ΔT(t＝0…T-1)
其中，Xt表示第t时段中的荷能状态，单位为MWh；σ表示其电量损失率；ηCh表示其充电率；ηDch表示其放电率。
初始时段的荷能状态约束如下：
X0＝ωinitχ
其中，χ表示其储电设备容量，单位为MWh；ωinit是其初始荷能状态所占容量的百分比。
其余时段的荷能状态约束如下：
ωminχ≤Xt≤ωmaxχ
其中，ωmin是其最小荷能状态所占容量的百分比；ωmax是其最大荷能状态所占容量的百分比。
能源消费模块主要是用于对耗能用户的电能需求、热能需求以及氢气需求的预测。如图5所示为预测的冶金与化工工厂电能、热能、氢气的需求，其中，热负荷和电负荷相同，而氢气负荷不同。
为仿真验证所设计的综合能源系统，以该综合能源系统的运行成本最低为目标函数，表示为：
min F＝FP+FM+FC
其中，FP为工业综合能源系统购买固体生物质燃料和沼气的购能成本，表示为：
FM为工业综合能源系统中各个能源生产模块以及能源储存模块的运行维护成本，表示为：
FC为工业综合能源系统中捕集封存二氧化碳成本，表示为：
FC＝σCCO2
式中：ωM和ωG是购买固体生物质燃料和沼气单位成本；Vt,M是固体生物质气化发电单元120在t时段生物质固体燃料消耗速率；Vt,G是沼气重整制氢单元130在t时间段沼气消耗速率；μC1和μC2是新能源发电制氢单元单位运行维护成本；μM和μG分别是固体生物质气化发电单元和沼气重整制氢单元单位运行维护成本；μS,E和μS,H分别是能源储存模块储电和储热的单位运行维护成本；σ是二氧化碳捕集封存单位成本。
实现碳循环的综合能源系统参数如表1所示。化工厂和冶金厂的碳排放计算因子分别为0.5和0.6。风力发电机组和光伏发电机组装机容量均为8MW。电储能和热储能总容量均为5MW。
表1实现碳循环的综合能源系统参数
在仿真结果中，工业综合能源系统的总体运行成本为9727.9万元，其中购能成本占8.4％，运行维护成本占79.4％，二氧化碳捕集成本占12.2％。结果表明，输入能源均为可再生能源，使购能成本所占比例最小化。尽管该系统利用固体生物质能源和沼气来实现碳的循环利用，但该能源系统需要最大限度地减少二氧化碳对环境的排放，因此另外使用碳捕集单元是非常有意义和价值的。
风力发电机组和光伏发电机组的实际发电量为186.5MWh，其中90.6MWh的电输送至变电单元，剩余95.8MWh用于电解水制氢。从图6可以看出，在第10和第11个时间段有明显的弃风弃光现象。造成这种情况的主要原因是风力发电机组和光伏发电机组的维护成本较高，而在该两个时间段固体生物质气化发电单元和沼气重整制氢单元已满足工厂负荷所需。
图7为电能(图7a)、热能(图7b)、氢气(图7c)的供需情况，反映了工业综合能源系统中各单元的运行情况。值得注意的是，能源储存模块的工作状态与时间无关，在综合能源系统中，能源储存模块不需要在一天结束时回到它的初始充电状态。因此，能源储存模块可以充分灵活地调整供需关系。另外，从图7c中可以看出，氢气的供需从未实现过实时平衡。因为能源生产模块所产生的热能和电能与所产生的氢气量有很大的相关性。换句话说，电力、热力和氢气的供给量在每个时间段是耦合的。然而，在化工和冶金工厂中，供热负荷、电力负荷和氢气负荷之间没有关系。因此，能源生产和消费之间的差距由加氢单元来弥补。
本申请实现碳循环的综合能源系统中能源储存模块和加氢单元在调节供需匹配方面起着至关重要的作用。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (7)

1.一种实现碳循环的综合能源系统，其特征在于，所述系统包括：
能源生产模块，用于利用可再生能源设备生产电能、热能、氢气、二氧化碳；
能源调度模块，用于所述电能、所述热能、所述氢气的集成与分配，及对捕集的所述二氧化碳注入地层封存；
能源储存模块，用于对所述热能及所述电能存储或释放；
所述能源生产模块包括新能源发电制氢单元、固体生物质气化发电单元、沼气重整制氢单元；
所述新能源发电制氢单元，用于采用新能源设备生产所述电能，所述电能中一部分用于电解水制氢设备制备所述氢气，所述氢气输出至所述能源调度模块，所述电能中另一部分直接输出至所述能源调度模块；
所述固体生物质气化发电单元，用于将固体生物质燃料生成所述电能、所述热能、所述二氧化碳，并将所述电能、所述热能、所述二氧化碳输出至所述能源调度模块；其中，所述固体生物质气化发电单元包括气化炉、净化系统和热电联产装置；
所述沼气重整制氢单元，用于将沼气生成所述氢气、所述热能、所述二氧化碳输出至所述能源调度模块；
所述固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率根据生物质燃料消耗速率确定；
所述固体生物质气化发电单元在t时间段内的产热功率根据所述固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率确定；
所述固体生物质气化发电单元在调度时间段内排放的二氧化碳量根据所述固体生物质气化发电单元在t时间段内的发电功率及产热功率确定；
所述能源调度模块包括变电单元、换热单元、加氢单元、碳捕集单元；
所述变电单元，用于接收所述能源生产模块生产的所述电能，并将所述电能提供至能源消费模块，且接收所述能源生产模块输送的所述电能与提供至所述能源消费模块的电能实时平衡；
所述换热单元，用于接收所述能源生产模块生产的所述热能，并将所述热能提供至所述能源消费模块，且接收所述能源生产模块输送的所述热能与提供至所述能源消费模块的热能实时平衡；
所述加氢单元，用于接收所述能源生产模块生产的所述氢气，并将所述氢气提供至所述能源消费模块，且接收的所述氢气与提供至所述能源消费模块的氢气无需实时平衡；
所述碳捕集单元，用于捕集所述能源生产模块产生的所述二氧化碳，及捕集所述能源消费模块产生的所述二氧化碳，并将所有所述二氧化碳封存。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述新能源发电制氢单元中所有所述新能源设备在t时间段内的发电功率总和等于所述电解水制氢设备在t时间段的耗电功率与所述新能源发电制氢单元在t时间段内的发电功率之和。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述新能源发电制氢单元在t时间段的产氢速率根据所述电解水制氢设备在t时间段内的耗电功率、所述电解水制氢设备的工作电压、法拉第效率确定，所述产氢速率小于或等于产氢速率阈值且所述产氢速率为非负数。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述沼气重整制氢单元在t时间段内的产氢速率根据沼气消耗速率确定；
所述沼气重整制氢单元在t时间段内输出的热功率根据所述沼气消耗速率确定；
所述沼气重整制氢单元中排放的二氧化碳量根据所述沼气重整制氢单元在t时间段内输出的热功率确定。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变电单元，还用于若接收的所述电能大于提供至所述能源消费模块的电能，则将接收的多余的所述电能输送至所述能源储存模块，以使所述能源储存模块存储所述电能；若接收的所述电能小于所述能源消费模块所需的电能，则接收所述能源储存模块释放的电能，以使接收的所述能源生产模块输送的所述电能与提供至所述能源消费模块的电能、所述能源储存模块储存的电能及释放的电能实时平衡。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换热单元，还用于若接收的所述热能大于提供至所述能源消费模块的热能，则将接收的多余的所述热能输送至所述能源储存模块，以使所述能源储存模块存储所述热能；若接收的所述热能小于所述能源消费模块所需的热能，则接收所述能源储存模块释放的热能，以使接收的所述能源生产模块输送的所述热能与提供至所述能源消费模块的热能、所述能源储存模块储存的热能及释放的热能实时平衡。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加氢单元中在t+1时间段剩余氢气总量根据t时间段剩余氢气总量、能源生产模块在t时间段内的产氢量、能源消费模块在t时间段内的耗氢量确定。
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