利用水电站剩余水能优化绿色氢能系统规模配置的经济性分析

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【字体：大中小】 时间：2025年06月27日 来源：Renewable Energy 9.0

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　　本研究针对水电站(HPP)运行中剩余水能利用率低的问题，开发了氢能系统配置探索器(HSCE)决策支持工具，通过MATLAB/Simulink建模实现了0.75-MW电解槽与20 m3储罐的最优配置，年增收44万欧元。该研究为可再生能源制氢(H2)的集成提供了技术经济评估新范式。

在全球能源转型背景下，如何高效利用可再生能源生产绿色氢能成为关键课题。传统水电站(HPP)运行中常出现水能过剩现象，这些未被充分利用的能源若通过电解水制氢，既能提升经济效益又可促进碳中和。然而，氢能系统(HS)的集成面临组件 sizing 优化、经济可行性评估等多重挑战，现有工具往往存在模型僵化、参数局限等问题。

针对这些痛点，研究人员开发了氢能系统配置探索器(HSCE)这一创新工具。该研究基于真实水电站运行数据，构建了包含物理过程模型、经济模型和控制系统的综合框架。通过"暴力搜索"算法在预设参数空间内穷举所有组合，避免了传统优化算法可能陷入局部最优的缺陷。MATLAB App Designer实现的交互界面支持四维参数动态调整，使决策者能直观评估不同配置下氢产量、设备利用率等关键指标。

关键技术方法包括：1) 采集某径流式水电站全年SCADA数据，建立包含3台15.8-MW卡普兰水轮机的非线性模型；2) 开发PEM电解槽效率曲线和氢储罐压力动态模型；3) 设计基于查表法的控制系统，根据水库蓄水量(SoC_W)和储罐压力(p_H2)调节电解功率；4) 构建包含资本支出(CapEx)和运营成本(OpEx)的经济模型。

研究结果部分：

方法论
建立包含水轮机出力模型、光伏(PV)场发电模型和氢系统模型的集成框架，采用30分钟时间分辨率处理全年运行数据。
系统模型
案例水电站模型显示最大允许水位波动(d_MAX)为1.1米，水库有效库容3.4×10⁶ m³。电解槽在20-80%额定功率区间效率最优。
案例研究应用
6-MW光伏场补充发电时，系统经济性反而下降，因小规模电解槽(0.75 MW)无法消化光伏投资成本。
系统规模配置
最优配置为0.75-MW电解槽+20 m³储罐，在丰水期11月单月最高收入52,652€，旱季1月仍能维持16,269€收益。
结果讨论
全年模拟显示该配置可生产86吨氢/年，设备利用率达71%。引入光伏场虽将利用率提升至92%，但因投资回报失衡导致整体亏损。

结论指出，水电站绿色氢能联产的经济性高度依赖季节性水文条件。研究证实，在无光伏补充时，合理配置的HS可实现44万欧元/年附加收益，投资回收期约5年。该HSCE工具的创新性在于：1) 实现全参数空间可视化探索；2) 整合技术经济多维评估；3) 支持实时策略调整。未来工作将扩展至混合可再生能源系统优化，并引入机器学习提升计算效率。这项发表于《Renewable Energy》的研究，为水电-氢能协同开发提供了量化决策工具，对推进能源结构转型具有重要实践价值。

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