基于固体氧化物电解器技术的氢基多能源系统的优化设计与建模，同时考虑效率衰减问题

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Optimal design and modeling of hydrogen-based multi-energy system with solid oxide electrolyzer technology considering efficiency degradation

固体氧化物电解水堆（SOEC）集成氢能多能系统的优化设计与经济环境效益分析。提出三态SOEC操作模型（Off/Ready/Production）及混合整数线性规划框架，量化热集成对系统经济性能（S1/S2较S3利润提升19.5%/15.7%）和碳排放（法国电网情景减排87%）的影响，揭示氢价（92%收入占比）、电价（60%利润波动）及碳强度关键作用。

　　随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢能源作为一种可持续的能源载体，正在成为实现碳中和目标的重要手段。特别是在多能源系统（MES）中，固体氧化物电解池（SOEC）技术因其在高温条件下的高效率而受到广泛关注。然而，如何在系统层面实现SOEC与其它能源组件（如联合供能供热（CHP）单元、电池储能系统（BESS）以及氢储能）的高效整合，同时优化经济性能和降低碳排放，仍然是一个复杂而关键的问题。

本文提出了一种混合整数线性规划（MILP）模型，用于分析和优化氢基多能源系统的组件设计与运行。模型特别引入了SOEC的三状态运行机制，即“关闭”、“待机”和“运行”状态，以更准确地模拟其热惯性和启动阶段的限制。这种新的建模方式不仅提升了系统调度的现实性，还增强了不同运行情景下的评估能力。通过分析三种情景，研究发现热能的整合对系统的盈利能力有显著提升作用，其中情景S1和S2分别比情景S3提高了19.5%和15.7%。此外，模型还评估了不同电网碳强度对环境性能的影响，结果显示，法国的低碳电网能够将二氧化碳排放量降低至蒸汽甲烷重整（SMR）工艺的87%。氢气和热能的价格对收入构成起主导作用，氢气在有利的市场条件下可贡献高达92%的总收入。同时，电力和天然气价格对系统盈利能力的影响显著，可能导致利润出现60%的波动。

在实际应用中，SOEC的高效率需要依赖于高温环境，这通常由CHP单元、工业炉或外部废热回收系统提供。然而，维持这些高温条件需要稳定的热源，且高成本的材料和陶瓷使得SOEC的资本成本较高。因此，如何有效利用废热来满足SOEC的热需求，减少对外部电力的依赖，是提升系统经济性和环境性能的关键。研究指出，SOEC的废热回收可以显著降低电力消耗，对于一个1 MW的SOEC系统，大约需要200 kW的废热来维持热平衡。此外，研究还探讨了如何通过混合系统（如朗肯循环与PEM和SOEC电解器结合）进一步提高热能回收效率，从而提升氢气生产能力和系统整体的可持续性。

氢能源的生产与存储不仅依赖于电解器技术，还需要考虑其在不同能源系统中的应用。例如，将SOEC与太阳能光伏（PV）和风能系统结合，可以在能源过剩时进行氢气生产，将其转化为可储存的能源，用于未来的电力供应、交通运输和工业应用。这种多能源协同的模式有助于提升可再生能源的利用率，同时减少对化石燃料的依赖。然而，如何在系统层面实现最优的电解器容量、储能系统配置以及可再生能源的整合，仍然是一个挑战。为此，研究采用了多种优化方法，包括启发式算法、元启发式优化和数学规划方法，以找到最优的系统设计方案。

本文的研究还强调了SOEC在运行过程中可能面临的性能退化问题。由于高温操作、氧化还原循环和长期蒸汽暴露，SOEC的效率可能会逐渐下降，影响系统的长期运行和经济性。研究指出，常见的退化机制包括镍颗粒聚集、氧电极界面脱层以及随着时间推移的欧姆电阻增加。这些因素可能导致每1000小时运行时间的退化率在1%至6%之间，具体取决于材料和运行条件。为应对这一问题，研究提出了先进的热管理策略、新型陶瓷材料以及混合废热回收系统，以延长SOEC的使用寿命并提高能源效率。

在多能源系统的设计中，氢能源的整合需要考虑多个因素，包括电力市场的波动性、碳强度以及氢和热能的价格变化。这些因素对系统的经济性和环境性能有着直接的影响。例如，电力价格的波动可能显著改变系统的盈利能力，而碳强度则决定了氢气生产的环境成本。因此，如何在不同市场条件下制定灵活的能源调度策略，是提升氢基多能源系统可持续性的关键。研究通过构建一个集成的多能源系统框架，结合了电力、氢气和热能的相互作用，使得系统能够在多种能源需求之间进行动态调整，从而实现更高的能源利用效率和经济性。

此外，研究还强调了氢能源在交通运输和工业领域的应用潜力。例如，氢燃料电池车辆（HFCVs）和电动车辆（EVs）的运行需求，以及工业生产中的热负荷，都需要多能源系统的有效支持。通过将SOEC与这些应用相结合，可以实现更高效的能源转换和存储，减少对传统化石燃料的依赖。同时，氢气的存储和运输也需要考虑其经济性和安全性，确保在不同应用场景下能够稳定供应。研究指出，氢气的存储和运输系统需要与电网、热网络和多能源枢纽进行协同设计，以实现更高效的能源管理。

在实际应用中，多能源系统的优化不仅涉及技术层面的考虑，还需要综合经济和环境因素。例如，如何在不同的能源价格和碳强度条件下，制定最优的能源配置方案，是提升系统经济性和环境性能的关键。研究通过构建一个包含多种能源组件的模型，分析了不同情景下的系统表现，从而为氢基多能源系统的优化提供了理论支持。同时，研究还强调了热能整合对系统经济性和环境性能的双重影响，指出通过有效利用废热，可以显著降低电力消耗，提升系统的整体效率。

综上所述，本文的研究为氢基多能源系统的优化设计提供了新的思路和方法。通过引入SOEC的三状态运行模型，以及热能整合和性能退化建模，研究不仅提升了系统的调度精度和经济性，还为实现低碳、高效和可持续的能源系统提供了理论依据。未来的研究可以进一步探讨如何在不同的市场和环境条件下，优化氢能源的生产和存储，以及如何提升多能源系统的灵活性和稳定性，以应对不断变化的能源需求和市场环境。