能源社区中氢能技术余热回收的经济潜力

《Applied Energy》：Economic potential of waste heat recovery from hydrogen technologies in energy communities

　　

具有分散式区域供暖的能源社区（energy communities）对脱碳至关重要，但在动态条件下对其资产进行经济估值仍然复杂。本研究调查了多能源社区内热和电的动态价值，以评估不同价格情景和系统配置如何影响技术投资。研究人员开发了一个一年期运行成本优化模型，包括光伏（photovoltaics, PV）、电池储能（Battery Energy Storage, BES）和蓄热（Thermal Energy Storage, TES）、建筑热惯性（building thermal inertia）以及氢系统（hydrogen system）。该模型与基于夏普利值（Shapley value）的框架耦合，以量化技术协同效应并公平地优先安排资本投资。研究人员的分析表明，仅含热泵（Heat Pump, HP）的系统缺乏灵活性。将氢技术（hydrogen technologies）与余热回收（Waste Heat Recovery, WHR）集成显著增强了灵活性，同时降低了运行成本和内部能量值。氢资产的最佳运行主要由内部能量值和电化学效率（electrochemical efficiencies）驱动，并可通过氢电价比（hydrogen-to-electricity price ratios）有效近似。至关重要的是，WHR是氢可行性的关键推动因素，扩大了其最佳运行窗口，使燃料电池（fuel cells）在比不含WHR系统高30%的氢价下仍能保持盈利。在低氢价情景下，带WHR的燃料电池的经济价值可与PV媲美。最终，这项工作提供了一个定量框架来优先安排投资，并展示了WHR在未来能源社区中的强大经济潜力。

**研究背景与问题**
能源社区结合分散式区域供暖是实现建筑供暖脱碳的重要途径，但动态条件下对多能源资产的经济估值仍具挑战性。现有研究依赖年度聚合需求、静态价格和固定设备运行模式，无法捕捉日间和季节性调度规律。对氢能技术（如电解槽和燃料电池）余热回收（WHR）的综合评估尤为缺乏，尤其是其在不同边界条件下的动态价值及与其他技术的协同效应。此外，针对多种供暖方案（含余热回收）的经济比较和投资优先级定量方法尚属空白。为此，本研究旨在动态评估多能源社区中热量的价值，揭示氢能技术余热回收的经济潜力，并建立公平分配成本节约与投资优先级的框架。论文发表在《Applied Energy》。

**研究方法**
研究人员采用的主要关键技术包括：
1. **运行成本优化模型**：以一年为周期，最小化总净运行成本，约束条件涵盖电力平衡、热平衡及各设备技术约束。通过求解对偶变量（Lagrange multipliers）获取动态电力价值λ_E(t)和热价值λ_H(t)（即影子价格，反映各时刻边际成本）。
2. **夏普利值（Shapley value）框架**：基于合作博弈论，在所有可能联盟中计算各技术（称为“玩家”）的边际贡献加权平均值，得到公平运行成本节约值（Fair Operational Cost Savings, FOCS），用于量化技术协同效应与公平分配收益。
3. **分段线性近似（Piecewise Affine, PWA）模型**：用于表征氢技术（PEM电解槽和燃料电池）的负载依赖性效率曲线，更准确反映实际运行性能。
4. **案例研究数据**：基于瑞士巴塞尔（Basel）的一个实际试点项目（nanoverbund），包含三栋联排房屋的实测电力需求、热需求、建筑热惯性参数及当地气象数据（2023年），并结合瑞士电价、氢价情景（当前、高预测、低预测）。

**研究结果**
**4.1 最优运行与能量值**
- **4.1.1 基准情景**：仅含热泵的系统，热值与电价强相关（热值＝电价/热泵COP），缺乏灵活性，导致运行成本较高。当允许室内温度波动范围（ΔT=5℃）时，运行成本比窄范围（ΔT=0.1℃）低2.5%。
- **4.1.2 氢系统情景**：在基准基础上加入完整氢系统（电解槽、燃料电池、储氢、WHR）。当前氢价（10 CHF/kg）下氢技术未启用；高预测氢价（6 CHF/kg）时，燃料电池贡献28%供暖需求，总运行成本降低16%；低预测氢价（2 CHF/kg）时，系统实现电力自给自足并出口，总运行成本降低75%，热价值完全脱离电价。
- **4.1.3 完整能源社区**：进一步加入PV、电池储能（BES）和蓄热（TES）。当前氢价下，PV满足26%电力需求，总运行成本降低32%；低预测氢价下，总运行成本降低87%，燃料电池成为主导热源和电力来源。

**4.2 氢技术的最优运行**
- **4.2.1 模型保真度的影响**：采用PWA模型后，燃料电池在低负荷时电化学效率更高，可在更低电价下盈利；恒定效率假设可能低估部分负荷运行的灵活性价值。
- **4.2.2 用价格近似最优运行区域**：推导出以氢电价比（pH₂/p_impE）表示的保守运行阈值：带WHR的燃料电池在比值低于20 [CHF/kg]/[CHF/kWh]时最优（无WHR时为15）；电解槽在比值高于69时最优（无WHR时为77）。WHR显著拓宽了两种设备的经济可行区间。

**4.3 经济评估结果**
- **4.3.1 公平运行成本节约值（FOCS）**：当前氢价下，PV贡献78%的成本节约；低预测氢价下，燃料电池贡献78%。各技术FOCS随氢电价比动态变化，且存在负协同效应（如低成本燃料电池发电降低PV边际贡献）。
- **4.3.2 投资优先级**：PV在所有情景下盈利，但低氢价时净现值（NPV）下降77%；BES和电解槽在所有情景下均不盈利；燃料电池仅在低预测氢价情景下盈利（IRR达55%），高预测氢价时不盈利。

**总结与结论**
讨论部分指出，仅含热泵的系统灵活性有限，而氢能与WHR的集成可显著降低运行成本，但需在低氢价条件下经济可行。WHR通过扩大氢设备的运行窗口（使燃料电池在氢价比低于20时仍可运行），极大增强了其经济吸引力。公平运行成本节约值（FOCS）框架揭示了技术间的动态价值分布与协同效应，而投资优先级分析表明PV是稳健选择，燃料电池在低氢价下具有竞争力。未来研究应纳入概率性价格不确定性、扩展系统边界（如工业余热）、动态电价及辅助服务收入，以强化决策支持。

研究结论翻译：
能源社区与分散式区域供暖网络结合是建筑供暖脱碳的有前景途径，但需精确理解驱动各技术经济可行性的动态能源估值。通过将一年期运行成本优化模型与博弈论价值分配方法相结合，本研究在不同情景下调查了这种动态估值，特别评估了氢技术（强调余热回收的关键作用）的经济可行性，并建立了定量框架以优先安排资本投资和公平分配运行成本。分析表明，仅靠热泵的系统灵活性有限，且热值与电价强相关，导致高运行成本。集成氢系统与WHR增强了系统灵活性，在低氢价情景下可降低年度运行成本，主要依靠燃料电池减少电力进口、提供额外热源并允许向电网出口。本研究确定氢技术的最优运行由外部因素（氢市场价）和内部因素（电化学效率）共同驱动，氢电价比条件表达式为实际决策提供了实用近似。重要的是，WHR显著提升了氢技术的经济吸引力，使其在更宽松的价比条件下即可最优运行。基于夏普利值的公平运行成本节约（FOCS）方法量化了各技术的经济价值，揭示了动态分布：当前氢价下光伏减少78%运行成本，而燃料电池仅在氢价下降时变得有价值。当氢电价比低于25 [CHF/kg]/[CHF/kWh]时，燃料电池的年运行成本节约可与电池或PV系统竞争。本研究进一步突出了技术协同效应以及系统设计参数（如光伏容量）对个体技术价值的影响。综合评估表明，氢技术与WHR在未来能源社区中具有贡献潜力，建立的投资优先级框架为动态评估可行性提供了盈亏阈值。