Low-Carbon Dispatch of a High-Altitude Electricity–Heat–Gas–Hydrogen–Oxygen Integrated Energy System with Oxy-Fuel Combustion-Based CCUS

Resumen Técnico: Despacho de Bajo Carbono de un Sistema Integrado de Energía de Electricidad–Calor–Gas–Hidrógeno–Oxígeno de Alta Altitud con CCUS Basado en Combustión de Oxicombustible

Planteamiento del Problema
Los parques de gran altitud enfrentan desafíos operativos únicos caracterizados por la baja presión atmosférica, condiciones hipóxicas y una incertidumbre significativa de las energías renovables. Los modelos de programación de Sistemas de Energía Integrada (IES, por sus siglas en inglés) existentes suelen centrarse en los flujos de electricidad, calor, gas e hidrógeno, tratando a menudo al oxígeno simplemente como un subproducto auxiliar de la electrólisis o como una entrada estática para la combustión. Este enfoque no logra abordar la demanda rígida y continua de oxígeno inherente a la habitación humana y la seguridad industrial en altitudes elevadas. Además, el potencial de acoplamiento sinérgico entre la producción de hidrógeno electrolítico, la utilización de oxígeno subproducto, el suministro de oxígeno en alta altitud y la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) basada en la combustión de oxicombustible sigue siendo insuficientemente explorado. El artículo aborda la necesidad de un marco de programación unificado que modele explícitamente el oxígeno como un portador de energía despachable para asegurar simultáneamente la seguridad del suministro de oxígeno y alcanzar objetivos operativos de bajo carbono.

Metodología
El estudio propone un modelo de programación óptima de bajo carbono para un IES multi-regional de electricidad–calor–gas–hidrógeno–oxígeno. La metodología comprende los siguientes componentes:

• Arquitectura del Sistema: El marco integra tres parques interconectados (IES1, IES2, IES3) que cuentan con energía eólica, fotovoltaica (PV), redes de gas natural y diversas unidades de conversión. Los componentes clave incluyen electrolizadores (EL) para la producción de hidrógeno y oxígeno subproducto, VPSA (Adsorción por Oscilación de Presión Variable) y ASU (Unidades de Separación de Aire) para el suministro de oxígeno, unidades de Combustión de Oxicombustible (OECP) acopladas con sistemas de Captura de Carbono (CCS), Reactores de Metanación (MR) y Celdas de Combustible de Hidrógeno (HFC).
• Caracterización de la Incertidumbre: Para gestionar la naturaleza estocástica de la producción eólica/fotovoltaica y las cargas de múltiples energías (incluyendo la carga rígida de oxígeno), los autores emplean una técnica de generación y reducción de escenarios que combina el Muestreo por Hipercubo Latino (LHS) con la agrupación K-means. Esto genera escenarios típicos de fuente-carga ponderados por probabilidad.
• Modelo de Optimización: El objetivo es minimizar el costo operativo esperado ponderado por la probabilidad de los escenarios. La función de costo incluye la compra de energía, operación y mantenimiento (O&M), respuesta de la demanda, penalizaciones por recorte de renovables, utilización de almacenamiento, costos de captura de carbono y costos de comercio de carbono.
• Mecanismo de Comercio de Carbono: Se implementa un esquema de comercio de carbono de tipo escalera de recompensas y penalizaciones. Este mecanismo impone penalizaciones más altas por emisiones que exceden las cuotas y ofrece recompensas por las reducciones, incentivando el despacho de bajo carbono.
• Restricciones: El modelo incorpora restricciones físicas detalladas para el equilibrio energético (electricidad, calor, gas, hidrógeno, oxígeno), límites de rampa de los equipos, dinámica de almacenamiento y correcciones específicas de alta altitud para los requisitos de carga de oxígeno basadas en la altitud y el volumen de los edificios.

Contribuciones Clave
El artículo identifica cuatro contribuciones primarias:

1. Modelado Explícito del Oxígeno: La demanda de oxígeno se incorpora como un flujo de energía programable dentro del marco del IES, coordinando la producción de hidrógeno electrolítico, la utilización de oxígeno subproducto, el almacenamiento de oxígeno y la producción mediante VPSA/ASU, en lugar de tratarlo como un subproducto pasivo.
2. Acoplamiento Carbono–Hidrógeno–Oxígeno: Se establece una relación de acoplamiento específica entre el oxígeno subproducto derivado de P2H, la CCUS basada en combustión de oxicombustible y la utilización de carbono. Esto revela el doble papel del oxígeno subproducto en el apoyo al suministro de oxígeno en alta altitud y la facilitación de la combustión de bajo carbono.
3. Apoyo Mutuo Inter-Regional: Se introduce un mecanismo de intercambio inter-regional de electricidad, hidrógeno y oxígeno. Este aprovecha la complementariedad temporal entre diferentes parques para mejorar la utilización del oxígeno subproducto y los recursos renovables.
4. Caracterización Conjunta de la Incertidumbre: La aplicación del método LHS–K-means para generar escenarios típicos que caracterizan conjuntamente las incertidumbres en el viento, la PV y las cargas de múltiples energías (incluyendo el oxígeno) proporciona una base robusta para la optimización estocástica.

Resultados
Los estudios de caso realizados en un clúster de parques de alta altitud en el Tíbet demuestran la efectividad del modelo a través de cuatro escenarios comparativos (Línea Base, Solo Respuesta de la Demanda, Intercambio entre Parques y Coordinación Total).

• Desempeño Económico y Ambiental: En comparación con el escenario de línea base, el escenario de coordinación total reduce el costo operativo total en un 16.07% y las emisiones reales de carbono en un 35.11%. El costo de comercio de carbono se reduce significativamente de 14,731.44 yuanes/día a 704.91 yuanes/día.
• Estructura del Suministro de Oxígeno: En el escenario de coordinación total, el oxígeno subproducto de la electrólisis representa aproximadamente entre el 38% y el 52% del suministro de oxígeno de múltiples fuentes local en los tres parques. En el IES3, esta proporción alcanza el 52.19% diario, con picos del 62%, reduciendo efectivamente la carga operativa de las unidades VPSA y ASU.
• Vías de Reducción de Emisiones: El análisis marginal indica que la CCUS basada en combustión de oxicombustible es el contribuyente dominante a la reducción de emisiones (75.3%), seguida por la respuesta de la demanda (13.8%) y el apoyo mutuo entre parques (10.9%).
• Utilización de Recursos: El modelo utiliza con éxito el excedente de energía renovable para impulsar los electrolizadores, generando hidrógeno para la metanación y las celdas de combustible, mientras produce simultáneamente oxígeno tanto para el suministro directo como para la combustión de oxicombustible. El intercambio de oxígeno entre parques redistribuye dinámicamente el oxígeno excedente de los parques con alta producción (ej. IES2) hacia los parques con alta demanda (ej. IES3).

Significancia
El artículo sostiene que el modelado explícito de los flujos de energía del oxígeno es crítico para los sistemas de energía integrados en alta altitud. Al tratar el oxígeno como un recurso programable independiente, el marco propuesto logra un "triple valor": asegurar la seguridad del suministro de oxígeno en entornos hipóxicos, mejorar la acomodación de la energía renovable mediante la electrólisis y apoyar los procesos de combustión de bajo carbono mediante la tecnología de oxicombustible. El estudio concluye que la cadena coordinada de "producción de hidrógeno–oxígeno subproducto–suministro de oxígeno–combustión de oxicombustible–captura de carbono" ofrece una vía viable para la operación de bajo carbono en regiones de alta altitud, aunque reconoce que se requiere trabajo futuro para abordar las variaciones de parámetros ambientales dinámicos y los mecanismos de mercado de múltiples agentes.