地热电站ORC循环与氢能系统耦合改造的技经分析：以墨西哥Los Azufres电站为例

本研究针对传统地热电站余热利用率低的问题，提出通过耦合有机朗肯循环（ORC）和质子交换膜（PEM）电解槽实现电站增效改造。以墨西哥Los Azufres地热田的单闪蒸机组（U-6背压式/U-13凝汽式）为对象，通过热力学与经济模型验证：改造后U-13机组ORC新增发电3.98 MWe，两机组日均产氢440.64 kg，能源效率提升显著（U-6机组?效达17%），仅U-13现有设备方案具备经济可行性（NPV 2637万美元，IRR 25.18%）。为地热-氢能耦合系统提供了实证案例。

　　

在全球能源转型背景下，如何高效利用可再生能源生产零碳氢能成为关键课题。墨西哥作为地热资源富集国，其Los Azufres地热田现存单闪蒸电站面临余热浪费、效率低下等问题。传统背压式（U-6）与凝汽式（U-13）机组仅能实现5%-23%的?效率，大量分离器出口余热未被利用。更棘手的是，现有研究多聚焦新型地热系统，对老旧机组改造的经济可行性缺乏量化评估。

墨西哥米却肯大学（Universidad Michoacana de San Nicolas de Hidalgo）的José L. Guevara-Gómez团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地提出"ORC+PEM电解槽"耦合改造方案。通过工程方程求解器（EES）建立热力学-经济联合模型，首次系统评估了两种机组在四种场景（新旧设备组合）下的技经表现。

关键技术方法包括：1）基于质量/能量/?平衡的热力学建模；2）PEM电解电化学模型；3）涵盖NPV（净现值）、IRR（内部收益率）和PBP（投资回收期）的经济分析框架；4）针对地热流体温度、工作介质等参数的敏感性分析。

结果与讨论
Case study
选取Los Azufres地热田U-6（背压式，1.4 MPa/198°C）和U-13（凝汽式，0.36 MPa/140°C）为对象，利用分离器出口170°C余热驱动R245fa工质的ORC，并配置1 MWe PEM电解槽。

Methodology
热力学模型显示：ORC使U-6/U-13发电量分别增加1.084 MWe和3.98 MWe；电解槽在80°C最佳工况下，两机组产氢能力持平（440.64 kg/天），源于相同的1 MWe电力输入限制。

Results and discussions
效率提升方面：U-6能源效率从3.82%跃升至4.33%，?效率从16.75%提高到17%；U-13提升更显著（能效5.34%→6.04%，?效23.16%→25.68%）。经济性上，仅U-13"现有设备+改造"方案可行，NPV达2637万美元，IRR 25.18%，PBP仅21个月；而U-6因发电增益有限，所有方案均亏损。

Conclusions
该研究证实：1）ORC-PEM耦合可提升老旧地热机组?效率2-3个百分点；2）凝汽式机组改造经济性显著优于背压式；3）氢能生产虽技术可行，但当前电价政策下需配套补贴机制。研究为发展中国家地热资产升级提供了量化决策工具，尤其对墨西哥等拥有大量单闪蒸电站的国家具有直接参考价值。

值得注意的是，作者特别指出背压式机组改造困境源于其固有设计缺陷——这与Cadenas等学者主张"用凝汽式机组替代"的观点形成呼应。未来研究可探索ORC工质优化、混合地热-光伏供电电解等方向，以进一步提高氢能生产的经济性。