创新的闭环热化学路径，将硼氢化钠作为氢载体：工艺开发及技术经济环境评估

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《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Innovative closed-loop thermochemical pathways for sodium borohydride as a hydrogen carrier: Process development and techno-economic-environmental assessment

【字体：大中小】 时间：2025年10月11日 来源：ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 10.9

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　　本文针对风-电-氢系统提出固体氧化物电解器（SOEL）的优化调度框架，考虑其非线性能量转换、多状态（冷启动、热启动、待机、运行）操作及爬坡约束，建立混合整数线性规划模型。通过德国2019年10类典型周数据仿真，发现SOEL在多数场景下因高效率（最高达85%）显著优于质子交换膜电解器（PEMEL），尽管PEMEL动态响应更快（周均状态转换次数达512次）。经济性分析表明，SOEL年利润差值达34.1k€（氢价5€/kg），主要因高效制氢抵消了更高投资成本（CAPEX 2250€/kW vs PEMEL 1200€/kW）。系统利用率和氢能收入占比均验证了SOEL的经济优势，但需注意极端低风周（如周2）时PEMEL因更低启停成本微占优。

　　在当今全球能源转型和可持续发展的背景下，绿色氢能被视为实现碳中和目标的重要手段。其生产技术中，固体氧化物电解槽（Solid Oxide Electrolyzer, SOEL）因其卓越的效率而受到广泛关注。然而，SOEL在实际运行中表现出复杂的动态特性，包括非线性能量转换行为、多状态运行和启动时的限制条件，这些因素使得其调度策略的制定具有挑战性。因此，开发一个能够准确反映SOEL运行特性的调度优化框架，对于充分利用其在风能-电解系统中的经济潜力至关重要。

本研究提出了一种针对风能-电解系统的SOEL调度优化模型，旨在提高系统的盈利水平。模型考虑了SOEL在运行过程中的非线性能量转换关系，以及其在不同运行状态（运行、待机、关闭）之间的转换。此外，为了精确描述冷启动和热启动的时间消耗，研究采用了1周的模拟时间跨度和5分钟的分辨率，使得模型能够有效捕捉这些过程。在模拟过程中，使用了德国2019年10个典型周的陆上风能发电数据和次日电价数据，以评估SOEL在不同能源场景下的表现。研究结果表明，SOEL在运行时表现出相对稳定的模式，主要根据风能发电情况决定是否运行，偶尔会因极端条件（如电价高峰或风能水平较低）而切换至待机状态。

在与质子交换膜电解槽（Proton Exchange Membrane Electrolyzer, PEMEL）系统的比较中，研究分析了两者在技术、能源和经济方面的差异。结果表明，尽管PEMEL在动态场景中表现出更高的运行灵活性，具有高达13倍的总状态转换次数，但由于其较高的投资成本和较短的使用寿命，SOEL在盈利能力上具有显著优势。在氢气价格为3 €/kg和5 €/kg的情况下，SOEL的平均净利润分别比PEMEL高出0.53 k€和2.01 k€。这一发现强调了SOEL在经济性方面的优势，特别是在氢气价格较高的情况下。

本研究还探讨了不同氢气价格对调度结果的影响。在氢气价格较低的情况下，SOEL的盈利能力主要依赖于其高效率和相对较低的启动成本。然而，当氢气价格升高时，SOEL能够更有效地利用风能资源，从而进一步提升盈利能力。此外，研究还定义了四个关键指标，包括电解槽利用率、氢气收入比、最优氢气生产比和状态转换次数，以评估不同场景下电解槽的运行效果和经济效益。

在技术层面，SOEL的电化学模型通过实验数据进行了校准，以确保其性能预测的准确性。模型考虑了电解槽的激活过电位、欧姆过电位和浓度过电位，并基于实验数据对模型参数进行了优化。通过这种模型，研究能够更准确地描述SOEL在不同运行状态下的能量转换关系。此外，模型还考虑了电解槽的辅助功率消耗和外部热能供应，以计算其系统效率和氢气生产曲线。

在经济层面，研究采用了一个混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MILP）模型，以最大化风能-电解系统的净收益。模型通过考虑电解槽的折旧成本、启动成本和氢气销售收入，综合评估了系统的经济性。同时，研究还对电解槽在不同状态下的运行策略进行了分析，以确保其在各种条件下都能保持最佳的经济性能。

在实际运行中，SOEL需要较长的冷启动时间，以达到其高工作温度（通常为600–900 °C），并避免热应力的风险。因此，在调度模型中，冷启动和热启动的时间都被纳入考虑。此外，研究还分析了电解槽在不同时间尺度下的运行特性，包括其在风能波动和电价变化情况下的反应能力。结果显示，SOEL在大多数典型周中表现出较高的利用率和盈利能力，但在某些风能较低的周中，其运行受限，主要依赖于风能销售带来的收入。

总体而言，本研究为风能-电解系统中SOEL的调度策略提供了科学依据，并通过与PEMEL系统的比较，揭示了SOEL在经济性和效率方面的优势。这些发现对于推动绿色氢能技术的发展，提高其在可再生能源系统中的应用价值具有重要意义。未来的研究可以进一步探索SOEL与PEMEL系统的协同调度，以提升整体系统的效率和经济性。

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