基于负荷循环评估方法的动态太阳能光伏（PV）驱动水电解制氢比能耗（SEC）分析

《Energy Nexus》：Specific energy consumption analysis of solar photovoltaic-driven water electrolysis under dynamic operation using a load cycle assessment method

　　

太阳能光伏（PV）驱动水电解在动态运行下的比能耗（SEC）分析：基于负荷循环评估方法。动态PV下不同负荷和爬坡率下的SEC分析。负荷相关效率模型应用于SEC评估。基于PV的负荷循环测试方法用于评估电解槽灵活性。高效运行要求最小负荷≤20%且爬坡率≥30%/min。

论文解读：

论文作者为 Toni Viinanen、Anafi Nur'aini、Vesa Ruuskanen、Antti Kosonen、Pertti Kauranen、Jero Ahola。研究背景方面，氢已成为低碳能源系统核心组分，由可再生能源制取时可作为能量载体。水电解制氢依赖水和电，不产生碳排放；使用风能或太阳能供电时更可持续。太阳能光伏（solar photovoltaic, PV）与水电解槽耦合可无直接 CO₂ 排放制氢，PV直流电经DC-DC变换器调节至所需功率。PV输出依赖辐照度，夜间无发电，阴天或冬季降低，间歇性限制年运行小时和年利用率；日内波动大，常需电池储能和电控系统，因此电解槽需灵活适应动态高度变化功率。比能耗（specific energy consumption, SEC）是生产单位质量氢所需电能。欧盟协调测试程序在标准环境温度和压力（Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP）等条件下计算SEC，但未考虑效率随负荷变化，仅按高热值（higher heating value, HHV）或低热值（lower heating value, LHV）给出单值。已有两条负荷-效率曲线，来自工业商业碱性水电解（alkaline water electrolysis, AWE）和堆级质子交换膜水电解（proton-exchange-membrane water electrolysis, PEMWE），但效率定义、工况和报告差异导致SEC不一致。因此需要系统可重复方法评估可再生动态条件下电解槽运行。研究人员提出基于实测PV数据的负荷循环评估方法，将PV运行点分布、相应稳态持续时间和功率爬坡特征组合为紧凑负荷循环，使电解槽动态响应和SEC可用可重复曲线评估，而无需实际PV系统长期连续运行。研究目标包括评估不同最小负荷和爬坡率下PV供电水电解SEC、评估不同效率曲线、开发负荷循环评估方法。研究范围为PV与电解槽直接耦合，不含电池、电网、热动态、压力、退化和瞬态现象。

关键技术方法概述：研究人员基于多个制造商数据概览AWE和PEMWE性能。选用两条负荷相关效率曲线：特性1来自工业商业AWE数据并拟合二阶多项式，特性2来自堆级PEMWE测量并拟合二阶多项式。采用芬兰东南部大学校园屋顶PV系统2023年1分钟分辨率数据和意大利PV数据集，二者均为1分钟分辨率；将PV功率按年最大实测功率归一化，统计各功率水平时间占比和平均稳态持续时间，过滤异常后计算每分钟最大爬坡率。将归一化功率范围离散为负荷水平，按时间占比分配循环时长，生成阶跃负荷循环。模拟中设定最小负荷和爬坡率约束，计算SEC为总可用PV能量除以产氢量，产氢由实际电解输入功率和效率计算；容量比设为1.0，无电池。

研究结果：
2. 水电解技术概览与性能指标：通过制造商公开数据和效率/SEC计算，研究人员指出AWE和PEMWE是低温电解代表技术，商业成熟。制造商报告效率有的按HHV，有的按LHV，SEC单位有kWh/Nm³和kWh/kg；电解槽栈SEC低于完整系统，因平衡厂用电（balance-of-plant, BoP）包括干燥器、整流器、泵、压缩机等。AWE最小负荷通常10%–40%，PEMWE为0%–40%；爬坡率差异大，AWE从10%/s到10%/min，PEMWE约7.4%/s至10%/s，部分降载达50%/s。栈电响应快，但系统爬坡受电堆、变换器、工厂因素限制。该综述为选择两条对比效率曲线提供技术背景。

3. 太阳能光伏供电水电解性能：用典型夏季日展示PV与电解槽动态交互。PV数据来自芬兰东南部大学校园屋顶2023年夏季，1分钟分辨率。在20% P_nom最小负荷和100%/min爬坡下，电解槽几乎即时跟随PV。晴天PV平滑，中午高负荷；部分多云日快速波动。提高最小负荷使SEC系统增加：低最小负荷可利用更多低功率PV；超过20%–30%后，大量低功率PV不可用，产氢减少，SEC升高。部分多云条件下更明显。年度平均从10%增至20%最小负荷，SEC惩罚小于5%；从20%增至30%，SEC增加约10%。爬坡率低于约20%–30%/min时SEC急升，高于约30%/min后稳定。模拟采用前瞻控制，PV低于最小负荷时关机，超出电解功率的PV视为弃电但仍计入SEC。结论：最小负荷和爬坡率均影响PV-to-hydrogen SEC，其效应取决于PV变化性。

4. 效率曲线对SEC值的影响：通过两条效率特性的年度平均比较，研究人员得出绝对SEC差异明显：特性1在中高负荷通常因效率更高而具有较低SEC；但随最小负荷增加，SEC上升趋势对两条曲线一致。爬坡率影响定性相似，低于约30%/min时SEC显著增加，高于后趋稳。说明假设效率特性影响SEC绝对值，而最小负荷和爬坡率相关趋势相似，是解释动态SEC的重要变异来源。

5. 提出的负荷循环评估：通过芬兰和意大利PV年数据，研究人员观察到芬兰11月至3月太阳发电有限，4月增加，6月至9月峰值；意大利全年较稳定且冬季较高。两者均为1分钟分辨率，芬兰最大实测约83 kW，意大利约60 kW。归一化后分析最大爬坡、平均稳态时长和各功率水平时间占比；芬兰低功率占比更高，意大利中高功率更多。0%–3%功率范围被排除。5.1 负荷循环生成：设定电解槽额定功率等于最大实测PV功率，容量比1.0。用归一化PV，按各负荷水平时间分数分配循环时长，按指定爬坡约束安排升降，包含快速降载，生成可重复阶跃循环，不保留原时间顺序，不含冷启动或热启动。芬兰循环含高负荷突然降至10%；意大利循环中高负荷持续时间更长，无突然下降。5.2 负荷循环评估分析：提高最小负荷使低负荷段不可用。芬兰负荷循环与直接PV驱动SEC趋势相似，PV驱动略低，最高最小负荷时差异小于10%。意大利二者最大偏差约1%，SEC更低，最小负荷敏感性更小。爬坡率1%–50%/min、最小负荷0%时，低于30%/min芬兰无法跟踪快速变化，SEC显著增加；高于约30%/min惩罚小。意大利变化平滑，对高爬坡依赖较小，最低1%/min偏差较大；SEC更低。总体芬兰偏差小于10%，意大利小于1%，最大偏差在最高最小负荷和最低爬坡率。该比较是一致性评估，非独立实验验证。对调查曲线，最小负荷高于约20%和爬坡率低于约30%/min关联SEC较大增加；幅度依赖PV分布和变化性，应视为指示性运行区域。5.3 局限性与适用性：分析为数值研究，非物理电解槽实验；两条效率曲线不代表全部商业技术；未显式表示BoP动态、电化学、热、压力、辅助负载；容量比1.0，无电池，未建模最大功率点跟踪；两个PV数据集地理有限且1分钟分辨率，未显式表示亚分钟波动；未包含热动态和退化；约20%和30%/min并非通用要求。

6. 结论：研究结论翻译如下。研究人员对太阳能光伏供电水电解槽运行进行了数值评估，研究了最小负荷和爬坡率对动态PV下SEC的影响。结果表明，对调查PV曲线和假设效率特性，最小负荷约20%额定功率或更低、爬坡率约30%/min或更高与较小SEC惩罚相关。更低最小负荷允许在更大比例可用PV功率下运行，更高爬坡率改善跟随快速PV变化能力。这些值不应解释为通用要求，而是特定建模假设和PV条件下获得的指示性运行区域。还评估两条电解槽效率特性，分别源自工业AWE和PEMWE堆，对SEC影响：产生不同绝对SEC值，特性1在10%/min爬坡率下SEC比特性2高达30%更高，表明假设效率-负荷关系是SEC重要变异来源。因此绝对SEC值和运行趋势应结合所用效率特性解释。研究提出基于PV数据的负荷循环评估方法，用于不同最小负荷和爬坡率下SEC评估。方法聚焦电负荷跟随行为，用实测PV统计特征构建可重复负荷循环，再现与SEC评估相关的运行负荷水平分布，而非所有时间特征。与直接PV驱动运行SEC相比，负荷循环方法在调查最小负荷和爬坡条件下对两数据集显示接近一致；该比较应视为一致性评估而非独立实验验证。芬兰数据集代表更可变PV运行环境，意大利数据集代表更平滑有利太阳资源条件；意大利PV曲线导致较低SEC，与中高负荷运行增加和极低功率时间减少相关，最小负荷和爬坡约束影响较不显著。负荷循环生成程序可适应不同PV曲线，但SEC值和运行限仍依赖数据集。框架为一阶数值评估，不显式表示热、压力、电化学、退化、变换器或BoP动态，运行限模型和数据集依赖。方法可扩展至更多PV数据集、效率特性、容量比和更高分辨率数据；实验应用生成负荷循环于物理电解系统需验证动态响应和数值方法；未来可纳入储能和更详细热、压力、BoP、退化模型。

讨论部分总结：该研究的主要意义在于将实测可再生功率特征转化为定义且可重复的电解槽负荷循环，用于评估PV驱动水电解的动态灵活性和SEC，而不需全年动态仿真；同时强调负荷相关效率曲线假设对SEC绝对值的重要性，指出约20%最小负荷和约30%/min爬坡率等结果为特定模型和数据集下的指示性运行区域，尚需实验验证。