电解废热用于区域供热的技术经济分析——以挪威博德市为例

本刊推荐：为解决电解水制氢过程中约三分之一电能以废热形式浪费的问题，挪威SINTEF能源研究所团队以博德市碱性电解槽设施为案例，创新性地评估了将废热整合至现有高温及规划低温区域供热网络的技术经济可行性。研究通过动态模拟与热泵配置优化，证实废热利用可显著降低供热成本并提升制氢项目经济性，为氢能与供热系统的跨部门耦合提供了关键实证依据，对推动碳中和能源系统建设具有重要意义。

　　

随着全球向气候中和能源系统转型，氢能因其与可再生能源无缝集成的能力而被视为关键要素。电解水制氢作为主流绿氢制备技术，却存在一个显著的能量损失问题：约三分之一的输入电能会以废热形式耗散。这些低品位热能的传统处理方式是直接排放，不仅造成能源浪费，还增加了系统的冷却负担。尤其在北欧等高寒地区，区域供热网络需求旺盛，若能有效捕获并利用电解废热，将同时提升氢能生产和城市供热的整体效率与经济性。然而，电解废热的温度通常较低（例如碱性电解槽和质子交换膜电解槽的废热温度在50-90°C之间），如何高效地将其整合到供应温度更高（通常为80-120°C）的现有区域供热网络中，是当前面临的主要技术挑战。这不仅涉及热泵等升温技术的选型与优化，更需要从系统层面评估其全生命周期的技术经济性。为此，挪威能源研究机构SINTEF的团队在《Smart Energy》上发表了针对博德市电解制氢厂的案例研究，为这一领域提供了重要的理论与实践参考。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，基于挪威博德市实际在建的20 MW碱性电解制氢厂及现有区域供热系统构建案例模型，该厂计划日产氢6-10吨，其废热潜力达4.8 MW。其次，研究开发了稳态分析和动态模拟相结合的方法，使用Excel链接REFPROP物性数据库进行热力学计算，并利用Dymola软件和Modelica语言（特别是TIL库）建立了包含氨热泵、预热换热器、压缩机等组件的动态系统模型，模拟了全年8760小时的运行情况。第三，研究引入了IESopt优化框架进行技术经济分析，以最小化年度总成本为目标函数，评估了不同废热温度情景（55°C与75°C）下的平准化供热成本（LCOH）和平准化制氢成本（LCOH₂），并考虑了当地电价（包括现货价格、容量电价和年度固定费用）和生物质价格等关键经济参数。

3.1. 热泵集成

3.1.1. 稳态分析

通过稳态性能分析，研究人员评估了三种热泵集成配置在不同废热温度和区域供热供水温度下的系统性能。结果表明，单纯使用热泵（配置1）时，系统COP（Coefficient of Performance，性能系数）随废热温度升高和供水温度降低而增加，范围在4.33至8.55之间。引入预热换热器后，配置2（高温废热用于预热）和配置3（低温废热用于预热）能显著提升系统COP，最高增幅分别达65.81%和24.04%。这主要归因于预热换热器直接利用了部分废热，减少了对热泵的负荷，从而降低了压缩机功耗。同时，预热配置减小了所需热泵的规模，有利于降低投资成本。

3.1.2. 动态模拟

全年动态模拟揭示了系统的实际运行特性。在冬季高供热需求期，系统能以满负荷运行，充分利用稳定的废热源；而在夏季低需求期，热泵通过变频调节输出以适应负荷，未被利用的废热（约占总量的12%）则排入海水冷却系统。模拟显示，配置2（废热75°C）下，预热换热器提供了总供热量的52%，使得热泵规模比配置1减小了51%，系统年平均COP高达16.83。相比之下，配置1（废热55°C）因温升需求更大，其热泵COP和系统COP最低（分别为4.72）。这表明，在废热温度足够高时，采用预热方案能极大优化系统能效和经济性。

3.2. 技术经济分析

技术经济优化结果表明，整合废热能带来显著的经济效益。与不利用废热的基础情景相比，当废热温度为55°C时，区域供热运营商的平准化供热成本（LCOH）可降低18%；当废热温度升至75°C时，LCOH降幅可达24%。这主要是因为更高的废热温度降低了热泵的温升需求和投资成本。从制氢运营商角度看，通过向区域供热网络出售废热（按估算价值，55°C废热约为22欧元/兆瓦时，75°C废热约为29欧元/兆瓦时），平准化制氢成本（LCOH₂）可分别降低5%和7%。尽管绝对数值的降低幅度受制于高昂的电费（占LCOH₂主要部分），但废热货币化无疑为改善电解制氢项目经济性提供了新途径。研究还发现，优化现有生物质锅炉和电锅炉的运行策略本身也能带来7%的LCOH降低，但废热整合的效益远大于此。

本研究通过详尽的案例模拟与分析，证实了将电解制氢废热整合至区域供热网络在技术上的可行性以及经济上的吸引力。关键在于，较高的废热温度能通过预热等简单措施大幅提升系统效率，降低对热泵等昂贵升温设备的依赖。研究成果为未来氢能与供热部门协同（sector coupling）的规模化发展提供了重要的设计依据和决策支持。它不仅展示了如何将工业副产热转化为有价值的能源商品，更指明了一条通过提升整体系统效率来加速能源系统脱碳的可行路径。未来研究可进一步探索季节性储热、电解槽灵活运行与废热利用的协同优化，以及在不同气候条件和能源市场政策下的普适性方案。