基于物理模型链的太阳能驱动氨生产系统的技术经济评估与规划

《Energy》：Techno-economic assessment and planning of solar–driven ammonia production systems using physical model chain

　　

# 光伏物理模型链（PMC）在离网太阳能驱动氨生产系统规划中的应用

## 摘要要点

- 物理模型链（PMC）相比传统模型能提供更准确的光伏输出功率。
- PMC提高了太阳能驱动氨生产（SAP）系统规划的可靠性。
- SAP系统规划对光伏电站和碱性膜电解槽的单位成本较为敏感。
- 该方法以中国内蒙古1MW光伏电站为例进行了验证。

## 引言

传统氨合成高度依赖化石燃料，对全球温室气体排放的贡献超过1.3% [1], [2]。在从基于化石燃料的灰氨或蓝氨向绿氨转型的过程中 [3]，利用可再生能源驱动的电转氢（P2H）和电转氨（P2A）技术进行氨合成，因全链路脱碳而受到越来越多的关注 [4]。一种岛式或离网可再生能源驱动的氨生产系统应运而生，成为一项颇具前景的方案 [5], [6]，它不仅确保了氨的绿色属性，还能消除并网基础设施成本 [7]。特别是光伏（PV）发电的模块化部署和成本下降使其成为构建太阳能驱动氨生产（SAP）系统的一种具有竞争力的电源 [8], [9]。然而，由于缺乏电网支撑，离网SAP系统需要集成储能系统（ESS）以应对间歇性的光伏输出 [10]，这对SAP的经济性产生了不利影响。这形成了系统关键组件最优规模在投资与氨产量之间的权衡，需要准确估算可用的光伏输出轮廓并对SAP系统内多种组件进行协调配置。

大多数与SAP系统规模设计相关的研究使用简化光伏模型 [11], [12], [13], [14]，通常忽略了从太阳辐照度到功率输出转换过程中所涉及的详细物理过程。这种简化可能导致模拟的光伏输出与实际值之间存在显著偏差，最终造成对SAP相关经济性的错误评估 [15]。文献[6], [16], [17], [18]中使用了现有光伏电站的历史输出数据，但此类数据驱动方法对尚无光伏输出数据的未来SAP项目缺乏通用性。因此，本文的主要目标是开发一种物理模型链（PMC），利用模块特性和场址特定的气象数据来计算高保真的光伏输出，在此基础上比使用通用简化光伏模型更准确地评估离网SAP项目的技术经济性和最优规模。

大多数与绿氨相关的研究集中在并网和离网氨生产系统的设计、技术经济评估及低碳应用方面。文献[19]模拟了具有固定电价和购电协议的并网SAP系统运行，基于智利视角评估了净现值和回收期。类似地，文献[20]研究了在澳大利亚并网对氨平准化成本（LCOA）的影响，表明并网可以减小储能需求，从而降低LCOA。文献[21]评估了采用不同电源生产氨的环境和经济影响，发现光伏板与并网相结合的方案可以实现最低的LCOA，而仅依靠电网供电生产氨可能导致碳强度高达每千克氨13.98千克CO?。文献[22]在华北背景下评估了结合光伏板、风力发电机和电网接入的混合供电系统的经济性，指出在补贴和税收减免等支持下，绿氨项目将成为经济可行的。

上述并网氨生产系统的主要优势在于能够利用电网供电来缓冲可再生能源的间歇性，从而减少对有成本的储能系统的依赖。然而，即使电网购电在总电力供应中的占比相对较小，并网系统的碳强度仍可能接近基于化石燃料的氨生产 [23]。此外，对于远离主干输电网络的偏远地区，延长或改善并网基础设施可能显著增加资本支出。因此，离网绿氨生产近年来引起了越来越多的关注。文献[24]评估了阿根廷和智利离网绿氨生产的技术经济性，证明结合风能和太阳能的混合配置可以有效降低LCOA。尽管如此，可再生能源发电的波动性对离网系统的连续氨合成提出了挑战，增加了储能投资需求。文献[25]研究了由不同光伏板、风力发电机和电池储能系统（BESS）组合供电的离网P2A系统，强调适当规模的BESS对于平滑可再生能源功率输出波动和维持连续氨合成至关重要。文献[26]通过扩大电解槽容量和安装储氢罐（HST）来满足间歇性可再生能源发电与连续P2A需求之间的矛盾，将过剩可再生能源以氢的形式储存。文献[27], [28]模拟了具有不同运行灵活性的氨合成过程，发现较高的运行灵活性增强了系统跟踪可再生能源功率输出波动的能力，减少了储能需求，从而降低了LCOA。文献[29]进一步证实，动态Haber-Bosch反应器运行允许合成单元直接跟随可再生能源输出，减轻了对储能系统的平滑负担。此外，文献[30]研究了资本支出与可再生能源利用之间的内在权衡，发现战略性地放大生产组件规模可以在较少依赖储能的情况下捕获更多可变发电。文献[31]对分布式绿氨生产进行了技术经济优化，强调将合成计划与可再生能源发电可用性对齐并利用储氢作为主要缓冲，可以有效减少储能需求。总体而言，这些研究还表明，在一定限度之外继续增加运行灵活性所带来的边际经济效益会递减。

虽然已有大量工作致力于优化系统配置和运行策略以应对可再生能源的间歇性和波动性，但相关技术经济评估的可靠性从根本上取决于光伏输出数据的准确性。由于离网系统缺乏电网支撑，光伏输出轮廓估算中的任何偏差都会传递到错误的组件规模确定和LCOA评估中。然而，在规划阶段准确估算光伏输出时间序列仍然是现有SAP研究中的一个关键空白。目前，获取光伏输出数据主要有四种方法：（1）直接使用现有电站观测到的历史光伏输出时间序列 [6]，这种方法本质上缺乏对新场址或假设场景的通用性；（2）简化解析模型 [11], [12], [13], [14]，这些模型依赖于基本经验公式，通常忽略了详细的光学和热损失，导致高估光伏输出；（3）商业仿真软件 [24]，通常依赖通用模型参数，无法捕捉场址特定的模块特性或复杂的气象交互；（4）物理模型链（PMC）[32], [33]，整合了多种相关的气象和光学模型以物理方式描述太阳辐照度到功率的转换过程。与可能导致光伏输出估算显著偏差的前三种方法不同（由于过度简化和/或场址特定性），PMC方法通过显式建模每个转换阶段来减少不确定性，从而增强了对不同地理条件的适应性。表1列出了近期SAP相关研究中使用的这些方法的总结。具体而言，通用模型由于忽略了辐照度到功率转换过程中存在的各种损失，可能会高估光伏输出 [32]。当这种被系统性高估的光伏输出被引入规划框架时，求解器会被过于乐观的发电预期所误导。这不仅导致规划的SAP系统在实际运行中无法达到预期性能，还会高估电解槽、BESS和氨合成单元的最优规模，最终严重扭曲LCOA评估。因此，以高保真度对光伏生产过程进行建模对于确保离网SAP项目规划和技术经济评估的可靠性至关重要。

除了光伏产生的物理建模外，离网SAP设施规模设计的方法论途径同样重要。在上述研究中，SAP系统组件的规模设计及其运行调度通常被表述为一个联合优化问题，并通过混合整数线性规划（MILP）整体求解 [6], [14], [17], [34]。然而，在单一层级模型中同时优化SAP系统容量和连续的8760小时运行会产生一个非线性分式目标函数，其中LCOA被表示为总系统成本与生命周期氨产量之比。所得优化问题无法直接表述为MILP，需要额外的数学重构或专门的非线性优化方法。

为解决上述在高保真光伏输出建模以实现可靠SAP系统配置方面的研究空白，本文提出了一种新颖的离网SAP系统规划方法，通过纳入基于PMC的输出模型以高保真度描述辐照度到功率的转换。通过显式建模将太阳辐照度转换为电功率的序贯物理过程，本文开发的基于PMC的光伏输出模型利用位置特定的气象数据和光伏模块特性来提高光伏输出估算的准确性。然后，将光伏输出时间序列引入双层优化框架，确定系统内关键组件的最优容量，并评估中国各高辐照地区离网SAP项目的基于优化的技术经济性。为确保双层优化框架的计算可行性，本文排除了各场址之间差异较大的供水、运输网络或特定土地利用的详细物理建模。本文假设选定的场址具有充足的水资源、交通条件和足够的土地面积，光伏、电解槽和氨合成模块在同一设施内共址部署。本文的主要贡献如下：

（1）首次将基于PMC的光伏输出模型纳入离网SAP系统规划。该PMC方法整合了一系列能源气象模型来模拟从太阳辐照度到电功率的转换过程，综合考虑了位置特定的环境因素和光伏模块特性。

（2）开发了用于离网SAP系统规划与运行的双层优化模型。通过将上层SAP系统规模设计与下层连续8760小时调度解耦，所提出的双层框架消除了LCOA计算中的非线性表述。这保证了计算可行性，同时保留了详细的经济评估和复杂的运行动态。

（3）使用内蒙古的真实气象数据对提出的规划框架进行了验证。通过全面的敏感性分析量化了光伏电站和电解槽单位成本对系统规模和LCOA的影响。此外，通过蒙特卡洛模拟进一步验证了SAP系统在资本投资不确定性方面LCOA的经济稳健性。

本文余下部分结构如下：第2节描述了离网SAP系统结构及SAP系统调度与规划的双层优化模型；第3节基于PMC开发了详细的太阳辐照度到功率转换模型；第4节讨论并比较了使用不同光伏输出模型或技术经济输入参数所得的规划结果，并展示了所提出规划方法的空间适用性；第5节给出了结论和未来工作建议。

## 章节概要

**SAP系统双层优化模型**——本节描述了离网SAP系统的结构，随后详细介绍了SAP系统仿真及系统调度与规划的双层优化模型。

**基于PMC的太阳辐照度到功率转换**——对于离网SAP系统，光伏发电特性直接影响其关键组件的规模和最终LCOA。对于仍处于规划阶段的光伏电站，通常无法直接测量功率输出。为此，本文开发了一种基于PMC的模型，以高保真度模拟从太阳辐照度到光伏输出的一系列物理过程。下文详细介绍了基于PMC模型的步骤，并描述了一个通用化的PV模型。

**模型验证与结果**——本节基于中国内蒙古的案例分析，展示了光伏输出估算结果及其在离网SAP系统规划中的应用，内蒙古以长时间日照和高太阳辐照度为特征。

此外，内蒙古地区显著的季内温度变化使其成为检验不同光伏发电模型捕捉温度引起的效率衰减能力的关键区域。需要指出的是，由于

结论

在高辐照地区的离网太阳能制氨（SAP）是实现氨工业脱碳的可行路径。光伏发电量的估算精度直接影响SAP系统设计的可靠性以及相关的氨平准化成本（LCOA）。为推动SAP项目的发展并提供可靠的技术经济评估，本文开发了一条从太阳辐照度到功率的高保真物理模型链（PMC），以…

CRediT作者贡献声明

Jialong Zhou（周佳龙）：论文写作—审阅与编辑、论文写作—初稿撰写、可视化、方法论、正式分析、数据整理。

Fulin Fan（范富林）：论文写作—审阅与编辑、方法论、资金获取、数据整理。

Xuerong Ye（叶雪荣）：论文写作—初稿撰写、调查研究。

Dazhi Yang（杨大智）：方法论、数据整理。

Zhengyao Wang（王正耀）：论文写作—初稿撰写、调查研究。

Yuting Deng（邓雨婷）：论文写作—初稿撰写。

Guoming Yang（杨国明）：论文写作—审阅与编辑、数据整理。

Jinhai Jiang（蒋金海）：论文写作—审阅与编辑、数据整理声明。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能与本文所报道工作相关的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到黑龙江省重点研发计划（项目编号：2024ZXJ03C06）和人才引进科研启动资金（资助编号：AUGA2160500125）的资助。

作者名单：Jialong Zhou（周佳龙）| Fulin Fan（范富林）| Xuerong Ye（叶雪荣）| Dazhi Yang（杨大智）| Zhengyao Wang（王正耀）| Yuting Deng（邓雨婷）| Guoming Yang（杨国明）| Jinhai Jiang（蒋金海）| Chuanyu Sun（孙传宇）| Kai Song（宋凯）| Siew Hwa Chan（陈淑华）