绿色氢气的生产用于减轻浮动光伏-抽水蓄能（FPV-PHES）系统中限电带来的影响

《Journal of Energy Storage》：Green hydrogen generation for mitigating the impact of curtailment in floating photovoltaic - pumped hydro energy storage (FPV-PHES) systems

光伏制氢系统与抽水蓄能耦合的协同效应研究

　　在当前全球能源转型的大背景下，可再生能源（如光伏和风能）的快速发展对电力系统的稳定性和可靠性提出了挑战。特别是对于那些具有高度间歇性和不可预测性的可再生能源，其技术经济性能常常未能充分考虑调度限制对系统全生命周期的影响。这一假设在过去的评估中显得越来越不准确，因为随着可再生能源渗透率的提高，电力系统的调度限制可能成为影响其性能的重要因素。如果电力无法被调度，这种未被使用的可再生能源将导致效率下降和平准化度电成本（LCOE）的上升。因此，研究如何在调度受限的电网中提升可再生能源系统的效率和经济性变得尤为重要。

本文聚焦于浮动光伏（FPV）与抽水蓄能（PHES）结合的系统，探讨了在高调度受限的电网中，如何通过提高自用电率来减少性能损失和LCOE的增加。研究发现，当没有调度限制时，FPV-PHES系统可以达到89%的第一定律效率，而当存在高调度受限时，效率下降至24%，LCOE则增加到280美元/MWh，是无调度限制情况下的三倍以上。因此，提高自用电率成为降低系统性能损失的关键策略。

为了进一步提升系统的经济性和效率，本文引入了水电解装置（AEM电解器）作为新的集成组件。该电解器优先使用FPV的多余电力进行绿氢生产，不仅提高了系统的自用电率，还减少了LCOE，同时为难减排领域提供了绿氢供应。与其他减少调度受限的措施相比，这种氢气生产方式为电网提供了额外的灵活性，同时有助于实现碳中和目标。

本文的分析基于意大利撒丁岛的一个现有PHES系统，并考虑了不同规模的FPV和AEM电解器的组合。研究结果表明，当没有电解器时，FPV-PHES系统在高调度受限的情况下只能达到其第一定律效率的四分之一，而加入电解器后，系统效率和LCOE可以维持在中间水平，分别为61%和145美元/MWh，同时氢气的LCOH约为8.5美元/kg。此外，电解器还能为电网提供需求响应服务，进一步提升系统的经济价值。

研究还发现，随着FPV规模的增加，系统的自用电率提高，但若没有足够的电解器容量，系统的调度受限风险也会随之上升。因此，选择合适的电解器规模以最大化自用电率成为优化系统性能的关键。本文通过详细分析不同FPV和电解器组合下的系统性能，揭示了如何在高调度受限的电网中有效利用可再生能源，同时确保系统的经济可行性。

此外，本文还讨论了现有PHES系统的升级和改造。由于PHES系统通常需要较大的投资和运营成本，因此在现有系统中集成FPV和电解器可以有效利用现有基础设施，降低额外建设成本。研究显示，这些集成系统不仅能够减少调度受限带来的负面影响，还能为电网提供额外的灵活性服务，如惯性功率、固定容量和需求响应等，从而进一步提升系统的经济价值。

在当前的能源政策背景下，多个国家正在推动可再生能源的快速增长，例如联合国气候大会（COP28）上提出的“2030年可再生能源容量翻三倍”的目标。然而，随着可再生能源渗透率的提高，电网的调度限制可能成为制约其发展的重要因素。本文的研究结果表明，通过合理设计FPV-PHES-AEM系统，可以有效缓解调度受限对系统性能的影响，从而为可再生能源的可持续发展提供新的思路。

同时，研究还指出，尽管FPV系统具有较高的效率和较低的维护成本，但其实际应用仍需考虑电网调度能力和环境影响。例如，FPV系统在盐水中运行可能导致电缆加速老化、电气绝缘性能下降和铜元素释放等问题。因此，在设计FPV-PHES-AEM系统时，必须综合考虑环境因素和电网调度限制，以确保系统的长期稳定运行和经济可行性。

本文的研究结果为未来可再生能源系统的集成和优化提供了重要的参考。通过合理配置FPV和电解器的规模，可以在高调度受限的电网中实现系统的高效运行和经济收益。此外，该系统还能为难减排领域提供绿氢供应，从而推动能源结构的转型和碳中和目标的实现。因此，FPV-PHES-AEM系统不仅在技术上具有可行性，而且在经济和环境方面也展现出显著的优势。