风电驱动固体氧化物电解槽厂的最优调度策略研究

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【字体：大中小】 时间：2025年10月12日 来源：Additive Manufacturing 11.1

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　　本研究针对可再生能源制氢场景下固体氧化物电解槽(SOEL)系统的调度优化问题，开发了综合考虑非线性能量转换、多状态运行和爬坡率约束的调度框架。通过建立SOEL电化学模型并采用混合整数线性规划方法，研究人员发现SOEL在风电波动环境下呈现稳定运行特性，与质子交换膜电解槽(PEMEL)相比具有更高的经济效益，在3€/kg和5€/kg氢价下平均净利润分别高出0.53k€和2.01k€。该研究为高温电解技术在可再生能源消纳领域的应用提供了重要理论依据。

随着全球碳中和目标的推进，绿色氢能作为实现能源转型的关键载体正受到广泛关注。根据国际能源署数据，目前全球有1363个氢能项目处于不同阶段，其中可再生能源制氢项目数量持续增长。然而，电解槽作为可再生能源制氢的核心设备，其调度优化仍面临诸多挑战。特别是具有效率优势的固体氧化物电解槽(SOEL)技术，由于运行温度高(700-800°C)、启动特性复杂，其在实际风电波动场景下的调度策略研究尚属空白。

为解决这一问题，武汉大学的研究团队在《Additive Manufacturing》发表了题为"Optimal dispatch of wind-powered solid oxide electrolyzer plants"的研究论文。该研究开发了包含SOEL详细调度模型的优化框架，首次实现了对SOEL系统非线性能量转换行为、三状态运行和爬坡率约束的精确建模。

研究采用的关键技术方法包括：基于ASC700实验数据校准的电化学模型建立、采用k-medoids聚类方法处理德国2019年风电和电价数据获得10个典型周数据集、通过混合整数线性规划(MILP)求解器CPLEX实现以周为尺度5分钟分辨率的优化计算。研究还定义了电解槽利用率、氢收入比、最优产氢比和状态转换数四个指标进行多维度性能评估。

研究结果

SOEL调度特性分析

通过三个典型周的案例分析发现，SOEL运行模式相对稳定，主要跟随风电出力变化，仅在极端条件（如峰值电价或低风电功率）下切换至待机状态。在典型周4中，SOEL利用率仅为19.5%，而在风电资源丰富的典型周8中，利用率可达95.8%。

经济性对比

在氢价3€/kg条件下，SOEL案例在多数典型周表现出比PEMEL更好的经济性，最大利润差达1.57k€。当年平均利润差扩大至8.9k€。当氢价升至5€/kg时，SOEL的优势更加明显，年平均利润差达到34.1k€。

运行灵活性比较

PEMEL表现出更强的动态特性，在典型周6中状态转换次数高达131次，而SOEL最大状态转换次数仅为11次。这表明PEMEL能更好地响应电价波动，但SOEL的稳定运行模式有利于延长设备寿命。

氢价影响

提高氢价显著改变了调度策略，在5€/kg条件下，SOEL在多数典型周实现了最大氢产量（R^HP=1），氢收入占比普遍超过90%。

研究结论表明，SOEL凭借其高效率优势在风电制氢场景中具有显著经济潜力，特别是在高风电渗透率和高氢价环境下优势更加突出。虽然PEMEL在运行灵活性方面表现更佳，但SOEL的稳定运行特性更适合基荷型氢生产。该研究为不同电解槽技术在可再生能源制氢场景下的优化部署提供了科学依据，对推进绿色氢能产业发展具有重要意义。

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