面向工业绿氢生产的水资源受限一体化HTSE-太阳能海水淡化系统的技术经济优化

《Chemical Engineering Research and Design》：Water-constrained techno-economic optimization of integrated HTSE–solar desalination systems for industrial green hydrogen production

　　

•在淡水约束条件下，为工业级高温蒸汽电解（HTSE）-太阳能海水淡化系统开发了一个多目标优化框架。
•集成系统的产氢量为72.61–134.32 kg H? h?1，成本为1.965–1.983 USD kg?1 H?，能耗为27.3–28.2 kWh kg?1 H?。
•与仅HTSE相比，纳入淡水集成使氢气成本上升39–41%，可达产率降低10–16%。
•随着系统容量的变化，活跃约束依次从电力转为海水淡化，最终转为HTSE活性面积。
•水资源可用性和海水淡化能力决定了工业级HTSE的可行生产范围和经济效益最优解。

引言

全球能源转型引发了对能够为难以电气化的工业部门（包括钢铁制造、合成燃料生产、石油精炼和化学合成）脱碳的能源载体的强烈兴趣。在此背景下，绿氢因其作为化工原料、能源载体和还原剂的多样性而成为最具前景的替代品之一。然而，绿氢生产的竞争力关键取决于电解效率、能源供应成本以及电解槽运行所需高纯度水的可用性（Tuluhong等，2024；Shin等，2023）。

目前，最成熟的电解水技术包括碱性电解（AEL）、质子交换膜电解（PEM）和固体氧化物电解池（SOECs）。在这些技术中，碱性和PEM系统因其技术成熟度和运行灵活性而得到广泛工业化应用。然而，这两种技术均在相对较低的温度下运行，通常低于100°C，需要几乎全部反应能量以电能形式提供。因此，其比能耗通常在50至55 kWh kg?1 H?之间（Carmo等，2013；IRENA，2020）。

在可用的电解技术中，高温蒸汽电解（HTSE）是一种高温电解过程，最常使用固体氧化物电解池（SOECs）来实现。在本研究中，HTSE采用SOECs实现，因为其陶瓷电解质使其能够在高温下运行，并允许部分电解能量需求以热能而非电能的形式提供。高温运行增强了反应动力学，减少了不可逆损失，并能够与工业废热流或可再生热能来源进行集成，从而在合适的设计和集成条件下，提供显著高于碱性或PEM电解槽的效率（Fallah Vostakola等，2023；Buttler等，2015；Motazedi等，2021）。其他高温电解概念，包括质子传导陶瓷电解池，也在研究中，但SOECs为本研究采用的技术基础。

HTSE系统通常在700–850°C的温度范围内运行，允许部分能量需求以热能而非电能的形式提供。这一特性导致较低的电力消耗、更高的整体效率以及更低的氢气水平化成本（LCOH）值（Ebbesen等，2014；Graves等，2011；Reytier等，2015）。已在实验室和试点规模报道了多项HTSE示范，包括一个由两个40电池片堆叠组成的4 kW模块（O'Brien等，2012），一个包含25个电池片的模块产量约为5.6 kW（Reytier等，2015），以及最多包含720个电池片的多堆叠配置能够产生约15 kW（Stoots等，2010）。系统规模研究评估了日产量约为4 kg H?的设施（DOE，2020），也报道了能够日产量高达100 kg H?的更大规模模型（Reytier等，2015）。此外，爱达荷国家实验室（INL）已开发并计划部署一个250 kW的HTSE系统，通过利用核电站的电力和余热，能够日产量约为150 kg H?（DOE氢计划，2023）。

HTSE技术的主要优势之一是其能够利用工业废热或从发电系统中回收的热能，从而降低整体电力消耗。尽管有此优势，但大规模工业应用仍受限于与长期性能和耐久性相关的挑战。实验研究报告了单电池级别的退化率高达1% kh?1（Schefold等，2017；Schefold等，2020），而包含25–30个电池片的堆叠级系统则表现出0.5%至2.0% kh?1的退化率（Lang等，2020；Corre和Brisse，2015）。

与耐久性进展并行，HTSE技术已开始从实验室规模研究向工业实施过渡。最新发展包括Sunfire开发的多兆瓦模块化SOEC系统，其氢产能接近291 kg h?1（对于10 MW模块），以及在约2.6 MW运行的工业示范厂产量超过60 kg h?1的氢。在这些系统中，总电力需求包括HTSE单元和氢气处理单元（HPU），后者确保产品纯度超过99.9%。HTSE子系统运行在约2.4 MWAC，而HPU增加了约0.23 MWAC的电力需求，总装机容量接近2.6 MWAC（Mougin等，2025）。

对Sunfire项目的一个重要贡献是实施了温度控制策略，以补偿长期运行期间的堆叠退化。通过在对运行超过8000 h的运行期内逐步调整堆叠温度，氢气产量保持恒定，同时运行电压（约1.29 V）和电流密度（约?0.79 A cm?2）几乎不变。这些结果表明，现代SOEC堆叠能够在高电流密度下运行（高达?0.94 A cm?2），同时表现出相对较低的退化率，即使在苛刻的运行条件下也是如此。这些发展表明，HTSE技术已达到一个成熟度水平，值得在电池和堆叠规模之外进行评估，扩展至工业可行性和系统设计考虑（Mougin等，2025）。

尽管取得了这些进展，现有文献的一个显著局限性是供水通常被视为外部或理想化的条件。虽然这种假设对于基础电化学研究可能是可以接受的，但在考虑物理上可实施的工业系统时，它变得越来越不现实。在干旱、半干旱或沿海地区，获得适合电解的水通常需要处理或淡化过程，引入了额外的能源需求、资本支出和运行约束。最近针对非常规水源制氢的研究强调，水处理不应被视为次要辅助子系统，而应被视为大规模电解制氢整体可行性的关键决定因素（Tuluhong等，2024；Lee等，2022）。

当考虑工业级系统时，这一局限性变得尤为重要。在此条件下，氢气生产不仅受到电化学性能或能量可用性的限制。相反，供水基础设施可能成为主动的设计约束，能够改变可行运行区域并转移最优系统配置。从系统工程的角度来看，忽视水资源约束可能导致在经济上过于乐观的解决方案，在现实运行条件下难以或不可能实施。

过程系统工程（PSE）和多目标优化的最新进展强调了集成设计方法的重要性，以系统地识别竞争性能标准之间的最优权衡。进化算法已成为解决涉及非线性过程相互作用、多个决策变量和冲突目标的复杂优化问题的有力工具。其中，非支配排序遗传算法II（NSGA-II）因其计算效率和在生成过程和能源系统的Pareto最优解方面的稳健性而得到广泛认可。这些方法为污染物去除效率、氢气生产、比能耗和运行成本之间的关系提供了有价值的见解，从而支持更可持续和经济可行的过程配置（Deb，2001；Deb等，2002；Grossmann，2005）。

尽管关于基于SOEC的氢气生产的文献日益丰富，但很少有研究明确地将水资源可用性作为严格的优化框架内的主动设计约束。更少的研究评估了海水淡化基础设施如何与电解产能、电力可用性和氢气生产成本的相互作用来改变可行运行域和最优系统配置。因此，关于水资源可用性和淡水产能如何影响工业HTSE系统设计和经济性能的重要知识差距仍然存在。

为弥补这一差距，本研究开发了一个将高温蒸汽电解（HTSE）与太阳能海水淡化子系统耦合的集成建模和优化框架。所提出的方法论明确地将氢气生产和淡水生成通过质量和资源平衡联系起来，允许淡水可用性直接参与优化，而不是被视为外部假设。此外，海水淡化产能和生产率与电力和HTSE产能限制进行了评估，为随着系统容量变化识别活跃约束提供了基础。

优化问题使用四个主要决策变量进行表述：电流密度、运行温度、HTSE活性面积和海水淡化面积。同时考虑多个目标，包括最大化氢气生产和最小化氢气生产成本，同时确保符合电力和水资源可用性约束。使用NSGA-II算法探索结果的设计空间，以识别非支配解并表征生产率、能源性能、经济竞争力和水资源充足性之间的权衡。

本研究的中心假设是，明确纳入供水基础设施通过引入与电力和电解产能相互作用的一个额外资源约束来改变最优化设计问题。研究并不假设普遍向水资源限制的过渡，而是假设活跃的系统约束取决于水、电力和电解子系统的相对容量。在这些条件下，电化学性能或系统规模的改善可能需要相应扩展淡水产能以增加可行的氢气生产。

因此，本研究的主要目标是评估海水淡化集成对工业HTSE系统最优设计的影响，并量化水资源可用性约束的经济和操作含义。除了识别最优运行条件外，研究还寻求建立一个物理一致的集成水-能源-氢气系统设计框架，为大规模绿氢生产的发展贡献更现实和可实施的途径。该公式也旨在通过允许相关设备容量、资源条件和运行约束适应应用而在不同系统规模间可转移。

结果表明，淡水可用性不应仅被视为辅助要求，而应视为能够改变集成HTSE系统的可行运行域、Pareto前沿和经济性能的设计变量。因此，所提出的方法论为工业级水-能源-氢气系统的概念设计和初步评估提供了有用的平台。

随着电解氢生产向数亿瓦甚至吉瓦级的工业产能扩展，水消耗变得越来越相关。从化学计量的角度来看，生产1 kg氢气大约需要9 kg的水（Shi等，2020；Tonelli等，2023）。然而，实际工业水消耗通常要高得多，范围为15至25 L kg?1 H?，因为运行损失、吹扫流和水处理要求（Lin等，2025；Kumar等，2024；Beswick等，2021）。根据Sunfire报道的工业数据，每公斤氢气生产消耗约20 L水，一个日产1440 kg H?的设施将需要近28.8 m3 day?1的处理水（Mougin等，2025）。在更大规模下，如在欧洲REPowerEU战略下设想的规模，该战略目标是在2030年之前实现1000万吨国内氢气生产和额外1000万吨氢气进口，水资源可用性成为一种战略资源，具有相当的重要性（REPowerEU：经济可行，2026）。

章节摘要

系统描述和过程配置

本工作分析的集成系统由基于固体氧化物电解池（SOEC）技术的高温蒸汽电解（HTSE）单元与太阳能海水淡化子系统耦合而成。该配置的总体目标是在明确考虑水资源可用性约束的情况下生产绿氢，从而确保在现实工业条件下物理可行运行。

海水淡化子系统将盐水转化为……

Pareto前沿分析

多目标优化产生了界定明确的Pareto前沿，描述了电力和淡水同时约束下氢气生产与生产成本之间的权衡（图1）。氢气产量从72.6增加至134.3 kg H? h?1，而生产成本仅从1.965增加至1.983 USD kg?1 H?，在Pareto生产范围内对应的经济惩罚约为0.018 USD kg?1 H?。

三个代表性解是……

结论

本工作开发并优化了一个集成高温蒸汽电解（HTSE/SOEC）-太阳能海水淡化框架，用于在明确的淡水约束下进行工业级绿氢生产。通过将淡化水生产直接纳入多目标优化，该框架同时考虑了电化学性能、生产成本和资源可行性。

优化后的集成系统在1.965–1.983 USD kg?1 H?的成本下生产72.61–134.32 kg H? h?1……

CRediT作者贡献声明

Marcelino Carrera-Rodríguez：方法论、调查、形式分析、概念化。
Eduardo Sánchez-Ramírez：形式分析、概念化。

Antonio Torres-Ayala：调查研究。Maricruz Juárez-García：形式分析。Juan Gabriel Segovia-Hernández：监督指导、形式分析、概念设计。利益冲突声明：作者声明不存在与本论文内容相关的利益冲突。Marcelino Carrera-Rodríguez | Eduardo Sánchez-Ramírez | Antonio Torres-Ayala | Maricruz Juárez-García | Juan Gabriel Segovia-Hernández