《International Journal of Hydrogen Energy》：A modular simulation tool for techno-economic analysis of renewable hydrogen production plants
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可再生氢项目的实施需要能够代表实际条件下运行动态和技术经济性能的仿真工具。本文介绍了一种在Python中开发的模块化、面向对象的仿真工具，该工具可模拟可再生氢生产工厂在其生命周期内的小时级运行。工厂的主要模块，包括光伏发电、电解槽、压缩、氢储存和需求，被表示为
可再生氢项目的实施需要能够代表实际条件下运行动态和技术经济性能的仿真工具。本文介绍了一种在Python中开发的模块化、面向对象的仿真工具，该工具可模拟可再生氢生产工厂在其生命周期内的小时级运行。工厂的主要模块，包括光伏发电、电解槽、压缩、氢储存和需求，被表示为独立的对象，其交互通过需求驱动的请求-响应工作流进行协调，从而确保能量和质量平衡的一致性。该工具应用于位于葡萄牙锡尼什的一个离网案例研究。对于基础配置，氢的平准化成本为6.45 �/kg，电力利用率为81.9%，氢需求满足率为64%。参数分析突显电解槽和光伏容量是成本和供应性能的主要驱动因素。所提出的工具为支持可再生氢生产系统的技术经济评估提供了一个灵活且透明的框架。
**可再生氢生产系统技术经济分析的模块化仿真工具研究解读**
**1. 研究背景与问题**
全球能源转型朝向脱碳经济，已将可再生氢定位为难以减排行业高温过程、长途运输和化工生产等不同过程脱碳的解决方案之一。氢以化学形式储存和运输可再生能源，为解决可再生能源发电与终端需求之间的时空错配提供了多功能方案。然而，随着全球氢能领域从战略愿景转向实施，动态已明显改变。尽管政策发展依然强劲，但实际部署的步伐受到成本竞争力、基础设施发展、市场创建等挑战的制约。此外，电解槽制造能力、可再生电力可用性、现有法规的特殊性都导致了不确定的项目时间表和经济性，使得决策者需要更精确、适应性更强的技术经济模型来评估工厂配置、评估敏感性并在现实条件下识别可行的商业案例。氢生产成本似乎是影响该技术市场采纳的主要因素之一。平准化制氢成本取决于资本投资、运营成本、电价和工厂利用率等因素。在光伏能源主导的地区，发电的间歇性可能导致电解槽运行波动，影响技术性能和经济结果。简化的平均模型或年度化方法通常不足以准确捕捉这些特性。因此，需要能够以高时间分辨率模拟工厂运行的仿真工具，以便更准确地估计氢产量和系统效率。
**2. 研究内容与方法概述**
研究人员开发了一个模块化、面向对象的仿真工具，用于模拟可再生氢生产工厂的小时级运行和长期技术经济性能。该工具基于Python编程语言，采用模块化和面向对象的方法构建，允许将光伏发电厂、电解槽、储存单元、压缩机等关键主要组件建模为独立但相互作用的模块。工具架构包含设备类、流程图类以及请求-响应系统。其仿真工作流以氢需求为驱动，通过迭代的请求-响应机制协调各组件间的能量和物质流，确保整个工厂能量和质量平衡的一致性。仿真按小时步长进行，覆盖工厂的整个生命周期，能够估算能量平衡、氢生产曲线和平准化制氢成本。该工具应用于葡萄牙锡尼什地区的一个离网案例研究，该案例研究了一个由光伏电站供电的理论氢生产工厂，为两个不同消费者供氢：一个代表连续运行工业单元的4 bar(g)恒定需求（750 kg H
2/h），以及一个代表移动应用或氢运输的350 bar(g)可变需求（平均350 kg H
2/h）。研究通过参数分析，独立改变各主要组件容量（±20%），评估其对制氢成本和整体工厂性能的影响。
**3. 研究结果**
**3.1. 基础情景模拟结果**
基础情景模拟的主要指标显示：工厂资本支出为482,466,000欧元，运营支出为330,749,000欧元，电堆更换投资为64,500,000欧元，工厂寿命期内总产氢量为126,147,554.45 kg，需求满足率为64.00%，电力使用率为81.87%，电解槽平均负载因子为28.63%，平准化制氢成本为6.45 �/kg。低平均负载因子是光伏能源生产间歇性的直接结果。氢生产成本在资本支出（59.4%）和运营支出（40.6%）之间分布均衡。光伏发电厂的发电成本对制氢成本有重大影响，约占初始资本支出的50%，或约占整个平准化制氢成本的25%。电解槽是第二大初始资本支出贡献者。
**3.2. 运行曲线分析**
光伏电站的小时级运行显示，氢生产高度可变，直接依赖于太阳能可用性。在约一个月内，光伏发电在相当一部分小时段降至零，迫使电解槽停机。从月度视角看，电解槽出口的月产氢量在冬季和夏季之间几乎翻倍，从12月的约386,000 kg增加到7月的752,000 kg，增幅约95%。这种季节性生产差异突显了需要整合互补的可再生能源或实施电力储存容量以提高系统可靠性和经济可行性。储存系统的行为反映了可再生能源间歇性、电解槽运行和需求曲线之间的相互作用。低压储罐（在供应低压需求和压缩机之前缓冲氢气）在整个月内利用率显著不足，平均填充水平稳定在仅14%，证明其在当前光伏-电解槽运行制度下尺寸过大。相比之下，高压储罐的平均水平显著更高（69%），经常达到最大日容量并维持数小时。两种需求曲线突显了太阳能可变性和储存行为如何影响交付性能。对于4 bar(g)的恒定工业需求，尽管需求稳定，但满足率波动很大。对于350 bar(g)的可变移动相关需求，满足率通常遵循曲线，但在连续几个低光伏发电时段后下降。
**3.3. 参数分析**
参数分析评估了各主要设备容量独立变化对系统整体结果的影响。电解槽对平准化制氢成本的影响最强，因为其容量变化直接按比例影响全年氢产量，放大了其经济影响。电解槽容量增加20%使平准化制氢成本从6.45升至6.58 �/kg（+0.13 �/kg；+2.02%），同时将需求满足率从64.0%提高至68.51%（+4.51个百分点）。反之，减少20%使平准化制氢成本升至6.61 �/kg（+0.16 �/kg；+2.48%），并将满足率降至56.68%（-7.32个百分点）。光伏容量变化对满足率有可比的影响，但对平准化制氢成本的影响较小：光伏增加20%将满足率提高至68.93%（+4.93个百分点），平准化制氢成本为6.54 �/kg（+1.40%）；而光伏减少20%将满足率降至57.19%（-6.81个百分点），平准化制氢成本为6.56 �/kg（+1.71%）。这些数据表明，在当前布局和需求曲线下，安装容量接近经济平衡点。这两个组件对需求满足率的影响也最大。相比之下，储存效应在测试范围内是次要的。低压储存减少20%使平准化制氢成本降至6.37 �/kg（-1.24%），且不影响满足率（64.0%），证实该储罐可以缩小尺寸而不会造成性能损失。高压储罐在测试变化范围内仅表现出边际影响。总体而言，这些边际效应证实，光伏和电解槽尺寸是同时改善成本和供应性能的主要设计杠杆，而在所检查的配置下，储存重新尺寸提供的技术经济效益有限。
**3.4. 与报告值的基准比较**
基准分析显示，该工具获得的结果与不同国际参考研究报告的范围一致，证明了所提出模型的稳健性及其真实反映可再生氢生产项目技术经济可行性并模拟其运行的能力。然而，所做假设对最终结果的影响是明显的，突出了持续研究的必要性。
**4. 模型假设、局限性与结论**
本研究采用的建模框架基于一系列明确的假设，这些假设界定了结果的范围，在解释研究结果时应予以考虑。首先，经济评估使用了基于累积、未折现成本的简化平准化制氢成本公式， deliberately 排除了折现率、通货膨胀、资本结构或项目融资条件等财务参数。其次，组件寿命通过固定更换因子表示：假设在20年项目周期内更换一次电解槽电堆，并将压缩机大修作为其初始资本支出的固定百分比纳入。第三，光伏子系统由外部生成的小时级生产曲线表示，这意味着光伏衰减、逆变器行为和其他详细的电气相互作用未在内部建模。第四，主要组件的物理模型依赖于以下关联：电解槽性能遵循负载相关的效率曲线和线性衰减，压缩机行为通过具有固定等熵效率的热力学公式描述，氢储存通过质量平衡动态和压力兼容性检查表示。辅助子系统未明确表示。这些假设不影响本工作强调的定性见解或比较趋势，特别是关于光伏和电解槽容量的主导影响，但它们界定了该工具当前捕获的系统细节水平，并指明了未来改进的明确途径。
**5. 研究结论**
本文提出了一种模块化仿真工具，旨在以高时间分辨率评估可再生氢生产工厂的技术经济可行性。将该工具应用于锡尼什的案例研究证明了其真实反映工厂运行细节以及设备修改对技术和经济性能影响的能力。基础情景获得的结果表明平准化制氢成本为6.45 �/kg H
2，需求供应率为64%，可用可再生能源利用率为81.9%。进行的参数分析证明了电解槽和光伏电站容量对氢供应成本和可靠性的更大影响。最后，与参考研究的比较证实，获得的经济值落在报告范围内，增强了模型的稳健性。另一方面，验证了所做的技术和经济假设的重要性，这些假设对获得的结果有大规模影响，强调了持续研究和更新模型的必要性。总之，所开发的工具是支持开发人员和研究人员在确定可再生氢生产项目的工厂配置和投资策略方面的重要贡献。
