罗马尼亚氢生态系统中的太阳能制氢潜力：集成光伏-电解建模与技术环境评估

《Applied Sciences》：Solar-to-Hydrogen Production Potential Across Romania’s Hydrogen Ecosystems: Integrated PV-Electrolysis Modelling and Techno-Environmental Assessment Raluca-Andreea Felseghi, Claudiu Ioan Oprea, Paula Veronica Ungure?an, Mihaela Ionela Bian and Ligia Mihaela Moga

　　

该研究开发并应用了一种集成建模框架，以评估罗马尼亚国家氢能战略所定义的五大氢生态系统中太阳能-氢-电力的转化潜力。该方法将基于PVGIS（Photovoltaic Geographical Information System，光伏地理信息系统）的光伏产量模拟（基于小时太阳辐照数据并包含系统损失）与基于MHOGA（Modular Hybrid Optimization for renewable Generations and Applications，可再生能源与应用的模块化混合优化）的电解模拟相结合，实现了定量-能源-环境（Q-E-E，Quantitative-Energetic-Environmental）的系统级评估。研究人员模拟了1 MW光伏电站，在三种安装配置下（15°固定倾角、最优倾角和太阳跟踪系统）分别与碱性电解槽（AEL，Alkaline Electrolysis）和质子交换膜电解槽（PEMEL，Proton Exchange Membrane Electrolysis）进行耦合。光伏比产量在跟踪条件下最高可达360 kWh/m2_PV·year，以光伏单位面积计，产氢量最高可达7.5 kg/m2_PV·year（AEL）和6.8 kg/m2_PV·year（PEMEL），该标准化表达方式确保了不同配置间的一致性比较。完整的太阳能-电力-氢气-电力链的建模往返效率为AEL 38.32%、PEMEL 34.57%。基于生命周期的排放建模得出AEL为0.92 kg CO?/kg H?、PEMEL为1.03 kg CO?/kg H?，而相对于电网排放强度，避免排放超过250 g CO?/kWh。土地利用建模显示，根据地面覆盖率（GCR，Ground Coverage Ratio）的不同，面积需求介于9402至18,804 m2/MW之间。结果表明，系统配置对氢产量的影响大于区域太阳辐射变异性，凸显了对大规模部署进行集成技术-环境优化的必要性。

该论文发表于《Applied Sciences》期刊，聚焦于太阳能驱动电解水制绿氢的潜力评估，研究对象涵盖罗马尼亚国家氢能战略所划定的五大氢生态系统。

**研究背景与问题**

能源转型是二十一世纪面临的主要挑战之一，传统化石燃料能源系统导致大气碳排放量Constants激增，加速部署可再生能源与可持续能源系统成为紧迫任务。在此背景下，绿氢因其既能作为能量载体（energy carrier）又能作为可再生能源长期储能解决方案的双重属性，已成为当代能源战略的重要组成部分。通过将可再生电力转化为可储存、可运输的化学能，氢能够实现太阳能、风能等间歇性能源的盈余利用，促进能源系统平衡，并支持难以电气化领域的脱碳。近年来，能源战略积极推动氢基能源生态系统的发展，将氢气的生产、储存、运输和利用在区域层面进行集成。然而，现有文献主要聚焦于光伏-电解系统的技术性能，而基于区域太阳能资源与电解制氢关联潜力评估的研究相对有限。技术经济优化模型往往简化空间变异性和环境影响的表征；能源系统集成模型虽强调部门耦合，但可能缺乏对本地可再生资源条件的详细解析。因此，亟需一种将太阳能资源可用性、光伏发电与氢能生产相连接的统一分析框架，以支持区域绿氢生产潜力的科学评估和氢基础设施规划。

**研究目的与核心结论**

该研究旨在评估罗马尼亚五大氢生态系统内通过光伏驱动电解生产绿氢的潜力，分析整合了太阳能资源可用性、光伏电力生成与电解制氢估算，提供太阳能-电力-氢转换链的综合评估。研究采用PVGIS数据库进行光伏发电量模拟，结合MHOGA仿真工具进行电解过程建模，考虑三种光伏安装场景（固定倾角15°、最优倾角、太阳跟踪系统）与两种电解技术（碱性电解AEL和质子交换膜电解PEMEL），通过Q-E-E（定量-能源-环境）分析框架进行系统性能评估。

核心研究发现：系统配置对氢产量的影响显著大于区域太阳辐射变异性；AEL的往返效率（38.32%）高于PEMEL（34.57%）；两种技术的生命周期CO?排放均显著低于灰氢和蓝氢路径；但高性能配置伴随更大的土地占用需求。该研究为罗马尼亚及类似地区的绿氢基础设施规划提供了技术-环境综合优化的分析基础，具有重要的政策参考价值和工程应用意义。

**关键技术方法**

研究所采用的核心技术路径包括四个顺序衔接的阶段，数据与参数逐阶段传递：研究人员首先基于PVGIS数据库获取各生态系统代表站点的逐时太阳辐照数据，并补充风速等气候参数；其次设定光伏组件（550 W额定功率，21.3%效率）与电解槽的技术参数；第三阶段通过PVGIS与MHOGA（PRO+版本）并行模拟1 MW光伏电站的发电量，光伏电力直接输入电解过程，AEL与PEMEL按1:1容量比配置；最终在Q-E-E框架下进行定量、能源与环境三维评估。定量分析采用单位光伏面积标准化指标（kWh/m2_PV·year及kg/m2_PV·year）；能源分析计算氢气通过燃料电池（效率取55%）再发电的往返效率（η_global），以氢气低位热值（LHV_H?，33.33 kWh/kg）为基准；环境分析则运用生命周期方法，纳入光伏系统、电解槽及燃料电池的隐含排放（embodied emissions），计算特定CO?排放强度（kg CO?/kg H?）及相对于电网排放因子（约307 g CO?/kWh）的避免排放量，同时结合地面覆盖率（GCR）分析土地占用（m2/MW）。

**研究结果**

**定量性能结果**：该部分呈现了五大生态系统在不同光伏配置和电解技术下的年比光伏电量产出及相应绿氢产量。结果表明，太阳跟踪系统（S3）在所有生态系统中均实现最高产量，优于最优倾角（S2）和固定15°倾角（S1）；S1升级至S3可使比氢产量提升约35–40%，说明系统配置的影响超过区域太阳辐射变异性。AEL的比氢产量较PEMEL高约8–12%，反映其稳态条件下更低的比能耗。区域差异方面，生态系统2（东南）和4（东部）产量最高，较生态系统3（西北）高约10–15%，与国家太阳辐射梯度一致。生态系统1（中南）和5（西南）表现居中。高辐照区如多布罗加（Dobrogea）和摩尔多瓦（Moldova）适于大规模生产，而特兰西瓦尼亚（Transylvania）因产量较低更适合氢利用、物流与运输应用。

**能源性能与转换结果**：该部分评估太阳能-氢-电力转换链的性能及效率。图4显示，特定电能产出在S3配置下的生态系统4最高（约133 kWh/m2_PV·year），S1配置下的生态系统3最低（约80 kWh/m2_PV·year）。图5揭示了系统往返效率为AEL 38.32%、PEMEL 34.57%，表明完整循环后略超过三分之一的初始光伏电力以电能形式输出。该效率范围界定了太阳能-氢-电力路径的实际往返性能，尽管多阶段转换存在累积损失，但证明氢基路径可在技术上可预测的效率范围内运行。需要强调的是，氢不应仅被视为电力再转换的储能媒介，更应作为工业、交通等难减排领域脱碳的关键能源载体，支持季节性储能与长距离能源运输。

**环境性能结果**：该部分分析特定CO?排放及光伏土地占用。特定CO?排放为AEL约0.92 kg CO?/kg H?、PEMEL约1.03 kg CO?/kg H?（图6），较传统路径降低85–90%以上。相对于约307 g CO?/kWh的电网排放因子，避免排放量为AEL约256.8 g CO?/kWh、PEMEL约251 g CO?/kWh（图7），相对减排80–85%。土地占用分析（图8）显示，GCR=0.5的S1配置需约9402 m2，GCR=0.35的S2配置增至约13,431 m2（增加43%），GCR=0.25的S3配置达18,804 m2，近乎基线配置的两倍。这揭示了能源性能与土地利用之间的明确权衡：最大化能源和氢产量的配置需要显著更大的空间足迹。为缓解土地压力，研究提及农光互补（agro-photovoltaic）系统、屋顶光伏、停车场、交通廊道及水面光伏等空间整合策略息的 mitigation strategies。

**讨论与结论总结**

综合定量、能源与环境三维分析，该研究得出以下主要结论：从定量角度，罗马尼亚全国太阳能制氢潜力良好，特定光伏能量产出在固定系统为226–256 kWh/m2_PV·year，跟踪系统最高达360 kWh/m2_PV·year；比绿氢产量AEL最高约7.5 kg/m2_PV·year，PEMEL约6.8 kg/m2_PV·year，配置优化可使产量提升35–40%。从能源角度，比电能产出最高约133 kWh/m2_PV·year，最低约80 kWh/m2_PV·year，AEL往返效率38.32%，PEMEL为34.57%，超过三分之一的初始光伏电力可经完整循环回收。从环境角度，AEL和PEMEL的特定排放分别为约0.92 kg CO?/kg H?和1.03 kg CO?/kg H?；再发电排放强度约50.2 g CO?/kWh（AEL）和56 g CO?/kWh（PEMEL），避免排放256.8 g CO?/kWh和251 g CO?/kWh，相对减排80–85%。土地占用随GCR降低而显著增加，S3配置近乎S1的两倍。

总体而言，罗马尼亚基于太阳能的绿氢生产发展潜力稳健，区域差异适中，但技术配置对整体性能影响显著。Q-E-E框架同时整合能源效率、减排与土地利用指标，为绿氢基础设施的技术配置选择与区域规模部署决策提供了平衡可持续性的坚实基础。