一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算方法及系统与流程

：
1.本发明属于电解水制氢技术领域，尤其涉及一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算方法及系统。


背景技术：

2.利用可再生能源电力电解制取氢气，是针对以石化、化工、钢铁为代表的工业领域，以冷暖供应为代表的建筑行业以及以重卡、航运和航空为代表的交通行业深度脱碳的有效手段。传统理念认为利用风电制氢系统将风的动能直接转化为电力、并进一步电解产生氢气的过程是清洁的，该风电制氢不会产生污染或碳排放。
3.但是风机、制氢设备和电储能设备等风电制氢系统结构主体的生产建造过程以及配电室、电解制氢车间和纯化车间等风电制氢系统构筑物的施工建设过程都会产生大量碳排放，造成环境污染。因此，如何准确评估风电制氢系统的碳排放量是衡量其脱碳能力、评估其绿色环保程度的关键。


技术实现要素：

4.为了准确评估风电制氢系统的碳排放量，本发明提供一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算方法。
5.本发明的另一目的在于提供一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算系统
6.本发明的技术方案如下：
7.一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算方法，包括：
8.分别获取风电制氢系统中由风机、制氢设备和电储能设备组成的结构主体碳排放数据和由配电室、电解制氢车间和纯化车间组成的构筑物碳排放数据以及风电制氢系统的运行参数；
9.将风电制氢系统的全生命周期划分为生产制造阶段、施工建设阶段和运行阶段，基于所获取的碳排放数据以及运行参数，计算风电制氢系统全生命周期的碳排放量，以基于所述碳排放量所对应的运行参数实现对所述风电制氢系统中制氢设备和电储能设备的调控。
10.进一步地，所述风电制氢系统全生命周期的碳排放量的计算方法为：
11.c
t
＝c
e1
+c
e2
+c
e3
12.其中，c
e1
为生产制造阶段的碳排放量；c
e2
为施工建设阶段的碳排放量；c
e3
为运行阶段的碳排放量。
13.进一步地，所述风电制氢系统的运行参数包括风电制氢系统运行阶段电力、生产用水消耗量、风电制氢系统运行阶段用于电解制氢的风机发电量、区域电网平均碳排放系数、自来水碳排放系数、制氢设备额定功率、风电制氢系统的运行时间、电解及纯化耗水系数；风电制氢系统中结构主体碳排放数据包括各结构主体的装机容量、各结构主体所包含材料的种类以及各材料的质量、各材料的生产碳排放系数、结构主体中风机、电储能设备的
建设及拆除碳排放系数；风电制氢系统中构筑物碳排放数据包括各构筑物的面积、各构筑物结构占比、各构筑物结构的建设及拆除碳排放系数。
14.进一步地，所述生产制造阶段的碳排放量c
e1
的计算方法为：
[0015][0016]
其中，p
wind
为风机的装机容量；p
ele
为制氢设备的装机容量；p
bat
为电储能设备的装机容量；r
m.i
为风机中第i种材料的质量，i＝1,2,...,i,i为风机中所包含材料种类数；r
m.j
为制氢设备中第j种材料的质量，j＝1,2,...,j,j为制氢设备中所包含材料种类数；r
m.n
为电储能设备中第n种材料的质量，n＝1,2,...,n,n为电储能设备中所包含材料种类数；r
ce,i
为风机中第i种材料的生产碳排放系数；r
ce,j
为制氢设备中第j种材料的生产碳排放系数；r
ce,n
为电储能设备中第n种材料的生产碳排放系数。
[0017]
进一步地，所述施工建设阶段的碳排放量c
e2
的计算方法为：
[0018][0019]
其中，a
x
为第x构筑物的建筑面积，x＝1,2,3分别指代构筑物中的配电室、电解制氢车间和纯化车间；r
cs.x
、r
ss.x
和r
ot.x
分别为第x构筑物中混凝土结构、钢结构和其他结构占比；r
cs
、r
ss
和r
ot
分别为混凝土结构、钢结构和其他结构的建设及拆除碳排放系数；和分别为风机和电储能设备的建设及拆除碳排放系数。
[0020]
进一步地，所述运行阶段的碳排放量c
e3
的计算方法为：
[0021][0022]
其中，qe、qw分别为运行阶段电力、生产用水消耗量；为运行阶段中用于电解制氢的风机发电量；re为区域电网平均碳排放系数；rw为自来水碳排放系数。
[0023]
进一步地，所述运行阶段电力消耗量qe和运行阶段生产用水消耗量qw的计算方法分别为：
[0024]
qe＝peh
[0025][0026]
其中，pe为制氢设备额定功率；h为风电制氢系统的运行时间，c
dw
和c
cw
分别为风电制氢系统的电解及纯化耗水系数。
[0027]
进一步地，所述运行阶段电力消耗量qe通过风电制氢系统交流侧电能表获取。
[0028]
进一步地，所述运行阶段生产用水消耗量qw通过风电制氢系统工业供水的给水侧水表获取。
[0029]
一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算系统，包括数据获取模块和碳排放计算模块；
[0030]
所述数据获取模块用于分别获取风电制氢系统中由风机、制氢设备和电储能设备组成的结构主体碳排放数据和由配电室、电解制氢车间和纯化车间组成的构筑物碳排放数据以及风电制氢系统的运行参数；
[0031]
所述碳排放计算模块将风电制氢系统的全生命周期划分为生产制造阶段、施工建
设阶段和运行阶段，基于所获取的碳排放数据以及运行参数，计算风电制氢系统全生命周期的碳排放量，以基于所述碳排放量所对应的运行参数实现对所述风电制氢系统中制氢设备和电储能设备的调控。
[0032]
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0033]
本发明提供一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算方法以及系统，该计算方法以及计算系统将风电制氢系统的全生命周期划分为生产制造阶段、施工建设阶段和运行阶段，综合考虑风电制氢系统中各结构主体在生产建造过程、风电制氢系统中各构筑物的施工建设过程以及风电制氢系统在运行过程中的碳排放量，因此计算出的全生命周期的碳排放量更加科学、准确，利用计算出的全生命周期的碳排放量可以准确衡量风电制氢系统的脱碳能力。
[0034]
本发明的碳排放计算方法通过风电制氢系统的运行参数、风电制氢系统中结构主体碳排放数据和构筑物碳排放数据，可以计算得到风电制氢系统在生产制造阶段的碳排放量、施工建设阶段的碳排放量以及运行阶段的碳排放量，由此得出风电制氢系统在全生命周期的碳排放量，在各阶段的碳排放量计算合理、准确，可以根据各阶段的碳排放量进行对比，指导后续风电制氢系统的节能减碳改造。
附图说明
[0035]
图1为风电制氢系统全生命周期的碳排放计算方法流程图；
[0036]
图2为风电制氢系统全生命周期的碳排放计算系统框图。
具体实施方式
[0037]
实施例一：
[0038]
本实施例的一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算方法，风电制氢系统的结构主体包括风机、制氢设备和电储能设备，风电制氢系统的构筑物包括配电室、电解制氢车间和纯化车间；如图1所示，该计算方法包括：
[0039]
分别获取风电制氢系统中结构主体碳排放数据和构筑物碳排放数据以及风电制氢系统的运行参数；风电制氢系统的运行参数包括风电制氢系统运行阶段电力、生产用水消耗量、风电制氢系统运行阶段用于电解制氢的风机发电量、区域电网平均碳排放系数、自来水碳排放系数、制氢设备额定功率、风电制氢系统的运行时间和电解及纯化耗水系数；风电制氢系统中结构主体碳排放数据包括各结构主体的装机容量、各结构主体所包含材料的种类以及各材料的质量、各材料的生产碳排放系数、结构主体中风机、电储能设备的建设及拆除碳排放系数；风电制氢系统中构筑物碳排放数据包括各构筑物的面积、各构筑物结构占比、各构筑物结构的建设及拆除碳排放系数。上述风电制氢系统的运行时间可采用风电制氢系统的预估运行时间。
[0040]
将风电制氢系统的全生命周期划分为生产制造阶段、施工建设阶段和运行阶段，基于所获取的碳排放数据以及运行参数，计算风电制氢系统全生命周期的碳排放量，以基于所述碳排放量所对应的运行参数实现对所述风电制氢系统中制氢设备和电储能设备的调控；具体可通过调节制氢设备和电储能设备的实时功率，确保风电制氢系统运行阶段用于电解制氢的风机发电量与运行参数相一致，确保风电制氢系统的弃风率最低、风电全部
系统内消纳，使得运行阶段的电网用电量最小。其中，风电制氢系统全生命周期的碳排放量的计算方法为：
[0041]ct
＝c
e1
+c
e2
+c
e3
[0042]
其中，c
e1
为生产制造阶段的碳排放量；c
e2
为施工建设阶段的碳排放量；c
e3
为运行阶段的碳排放量。
[0043]
该计算方法综合考虑风电制氢系统中各结构主体在生产建造过程、风电制氢系统中各构筑物的施工建设过程以及风电制氢系统在运行过程中的碳排放量，因此计算出的全生命周期的碳排放量更加科学、准确，利用计算出的全生命周期的碳排放量可以准确衡量风电制氢系统的脱碳能力。
[0044]
实施例二：
[0045]
本实施例在实施例一的基础上进行进一步设计，本例中生产制造阶段的碳排放量c
e1
的计算方法为：
[0046][0047]
其中，p
wind
为风机的装机容量；p
ele
为制氢设备的装机容量；p
bat
为电储能设备的装机容量；r
m.i
为风机中第i种材料的质量，i＝1,2,...,i,i为风机中所包含材料种类数；r
m.j
为制氢设备中第j种材料的质量，j＝1,2,...,j,j为制氢设备中所包含材料种类数；r
m.n
为电储能设备中第n种材料的质量，n＝1,2,...,n,n为电储能设备中所包含材料种类数；r
ce,i
为风机中第i种材料的生产碳排放系数；r
ce,j
为制氢设备中第j种材料的生产碳排放系数；r
ce,n
为电储能设备中第n种材料的生产碳排放系数；r
ce,i
、r
ce,j
和r
ce,n
可根据《ipcc国家温室气体清单指南(2019修订版)》获取。上述各结构主体所包含材料可选用质量占比在前5～前8的材料。
[0048]
施工建设阶段的碳排放量c
e2
的计算方法为：
[0049][0050]
其中，a
x
为第x构筑物的建筑面积，x＝1,2,3分别指代构筑物中的配电室、电解制氢车间和纯化车间；r
cs.x
、r
ss.x
和r
ot.x
分别为第x构筑物中混凝土结构、钢结构和其他结构占比，其他结构一般为砖石结构、砖混结构、预应力结构以及木结构；r
cs
、r
ss
和r
ot
分别为混凝土结构、钢结构和其他结构的建设及拆除碳排放系数，r
cs
、r
ss
和r
ot
可根据《gb/t51366-2019建筑碳排放计算标准》所用材料及能耗进行折算得到；和分别为风机和电储能设备的建设及拆除碳排放系数。和可由施工所用材料及能耗进行折算得到。
[0051]
运行阶段的碳排放量c
e3
的计算方法为：
[0052][0053]
其中，qe、qw分别为运行阶段电力、生产用水消耗量；为运行阶段中用于电解制氢的风机发电量；re为(风电制氢系统所接入的)区域电网平均碳排放系数，re可根据生态环境部网站获取；rw为(风电制氢系统所在工业园区)自来水碳排放系数，rw可根据《中国产品全生命周期温室气体排放系数集(2022)》获取。
[0054]
上述运行阶段电力消耗量qe和运行阶段生产用水消耗量qw可以根据如下两种方法
得到：
[0055]
方法一，运行阶段电力消耗量qe和运行阶段生产用水消耗量qw根据如下公式计算得到：
[0056]
qe＝peh
[0057][0058]
其中，pe为制氢设备额定功率；h为风电制氢系统的运行时间，c
dw
和c
cw
分别为风电制氢系统的电解及纯化耗水系数，一般地，c
dw
取值为5-8kw/l，c
cw
取值为10-15kw/l。
[0059]
方法二，运行阶段电力消耗量qe通过风电制氢系统交流侧电能表获取，运行阶段生产用水消耗量qw通过风电制氢系统工业供水的给水侧水表获取。
[0060]
实施例三：
[0061]
本实施例的一种风电制氢系统全生命周期的碳排放计算系统，如图2所示，包括数据获取模块和碳排放计算模块，其中，数据获取模块用于分别获取风电制氢系统的运行参数、风电制氢系统中结构主体碳排放数据和构筑物碳排放数据；
[0062]
碳排放计算模块将风电制氢系统的全生命周期划分为生产制造阶段、施工建设阶段和运行阶段，基于数据获取模块的碳排放数据以及运行参数，计算风电制氢系统全生命周期的碳排放量，以基于所述碳排放量所对应的运行参数实现对所述风电制氢系统中制氢设备和电储能设备的调控。
[0063]
应用实施例：
[0064]
本例以湖北某地风电站配套的风电制氢系统为例，采用本发明的计算方法及系统进行计算该风电制氢系统的碳排放量，该风电制氢系统的运行年限为20年，该风电制氢系统的结构主体包括50mw规格的风机、8套1000nm/h的碱性电解水制氢设备和10mwh规格电储能设备，风电制氢系统的构筑物包括配电室、电解制氢车间和纯化车间，制氢设备交流电耗为5.3kwh/nm3氢气；
[0065]
如表1所示，根据结构主体的组件构成可知，风机所包含材料包括钢、生铁、铜、玻璃纤维、塑料制品、铝、涂料和润滑油等，本例取质量占比前五的材料，分别为钢、生铁、铜、玻璃纤维和塑料制品。碱性电解水制氢设备包含材料包括钢s404，钢s308，铜、镍、隔膜、铅、合成树脂和橡胶等，本例取质量占比前五的材料，分别为钢s404，钢s308，铜、镍和隔膜，单套装备总重量为40吨。电储能设备包含材料包括磷酸铁锂、铝、石墨、铜、n-甲基吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯和六氟磷酸锂等，本例取质量占比前五的材料，分别为磷酸铁锂、铝、石墨、铜和n-甲基吡咯烷酮。
[0066]
表1结构主体的组件构成表
[0067][0068]
本例的风电制氢系统构筑物中配电室为2000平方米，配电室采用100％混凝土结构；电解制氢车间为6000平方米，电解制氢车间采用30％混凝土结构(地基)和70％钢结构；纯化车间为2000平方米，纯化车间采用30％混凝土结构(地基)和70％钢结构。
[0069]
本例采用额定功率规模估算用水量，c
dw
取值为7kw/l,c
cw
取值为15kw/l。风电制氢系统折合满负荷年运行小时数为3000h/年，年用电量为1.27亿千瓦时，该年用电量包含风电制氢系统相应的公辅系统(包括水、空气、氮气等)的用电量；年用水量为2.51万吨；其中，该系统运行阶段理论上70％的电力消耗可来源于风机发电(湖北省当地风电等效利用小时数约1780h)，即运行阶段中用于电解制氢的风机发电量约为0.89亿千瓦时，30％的电力消耗来源于电网，约为0.38亿千瓦时。
[0070]
生产制造阶段的碳排放量c
e1
为：
[0071]ce1
＝50
×
(1.2
×
2+61.43
×
2+19.68
×
2+12.15
×
1.4+12.15
×
0.5)
[0072]
+40
×
(3.2
×
2+3.44
×
2+0.8
×
2+0.32
×
10.19+0.24
×
6)
[0073]
+10
×
(2.58
×
0.63+2.05
×
4.61+0.71
×
3.22+0.45
×
0.63+0.3
×
4)
[0074]
＝9689.90tco2[0075]
施工建设阶段的碳排放量c
e2
为：
[0076]ce2
＝(2000+6000
×
30％+2000
×
30％)
×
1.51
[0077]
+(6000
×
70％+2000
×
70％)
×
1.65+50
×
108.67+10
×
34.58
[0078]
＝21663.30tco2[0079]
运行阶段的碳排放量c
e3
为：
[0080]ce3
＝(1.27-0.89)
×
52570
×
20+2.51
×
1.68
×
20＝399616.48tco2[0081]
因此，该风电制氢系统20年累计碳排放总量为：
[0082]ct
＝c
e1
+c
e2
+c
e3
＝9689.90+21663.30+399616.48＝430969.67tco2[0083]
对计算出的碳排放总量分析可知，92.7％的碳排放来自风电制氢系统运行阶段的电网用电，减少运行过程中的电网用电占比是降低该风电制氢系统碳排放的关键。
[0084]
通过调节制氢设备和电储能设备的实时功率，确保风电制氢系统运行阶段用于电
解制氢的风机发电量与运行参数相一致，可以确保风电制氢系统的弃风率最低、风电全部系统内消纳，使得运行阶段的电网用电量最小。
[0085]
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。