《Energy Conversion and Management-X》：Techno-economic assessment and modeling of green hydrogen production using renewable energy: a case study of Moroccan regions
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为推进微藻基生物燃料的可持续升级，本研究针对SUSTEPS项目中生物燃料加氢提质过程所需的绿氢连续供给问题，开展了技术经济与动态评估。研究人员利用光伏和风能，在摩洛哥四个区域设计了年产7.28kg/h氢气的优化系统。研究表明，达赫拉-瓦迪·达哈卜(Dakhla–Oued Ed-Dahab)地区在同等规模下平准化氢成本(LCOH)最低，为5.42/kg，扩大规模后成本可进一步降至3.89/kg。MATLAB/Simulink动态模型验证了系统在可再生能源波动条件下的稳定运行与氢气超额生产能力。该成果证明了在摩洛哥整合可再生能源制氢于可持续生物燃料系统的技术可行性与经济潜力。
化石燃料的快速消耗与气候变化的严峻挑战，正将全球能源系统推向一个关键的转型节点。工业活动消耗了全球近19%的最终能源，却仍严重依赖煤炭和天然气等化石燃料，这加剧了温室气体排放，凸显了向低碳、可持续能源路径转型的紧迫性。在这一背景下，生物燃料作为航空、重载运输等难以电气化领域的重要可再生替代品，扮演着关键角色。然而，生物燃料的生产过程中有一个关键步骤——加氢提质(Hydrotreating)，即利用氢气在催化剂作用下，将不稳定、复杂的生物原油转化为与现有石油基础设施兼容的、更轻、更稳定的燃料（如生物柴油、生物航空煤油）。这部分氢气如果来自化石燃料重整，将违背脱碳初衷。因此，利用丰富的可再生能源（如太阳能、风能）通过电解水生产“绿氢”，并直接整合到生物燃料生产链中，成为实现整个价值链深度脱碳的理想解决方案。
摩洛哥拥有得天独厚的太阳能和风能资源，南部和东南部地区太阳能潜力巨大，大西洋沿岸（北部和南部）及一些内陆通道则风能丰富，这使其成为部署可再生能源技术的理想之地。尽管如此，以往关于摩洛哥绿氢潜力的研究多侧重于资源评估或可再生能源电解系统的单独技术经济评价，缺乏将绿氢生产建模直接整合到生物燃料升级工艺系统中，并结合区域优化与动态运行验证的综合研究。针对这一研究缺口，来自摩洛哥太阳能与新能源研究所(IRESEN)的研究团队，在国际合作项目SUSTEPS的框架下，开展了一项针对摩洛哥四个区域的可再生能源驱动绿氢生产系统的技术经济与动态评估研究。该研究旨在设计一个能够连续供应7.28kg/h氢气以满足生物燃料生产需求的优化系统，并识别出技术最可行、经济最有利的区域。相关研究成果发表在《Energy Conversion and Management-X》期刊上。
为达成研究目标，研究人员主要运用了两种关键技术方法：一是使用HOMER Pro软件进行技术经济仿真与优化，该工具能够模拟混合能源系统在全生命周期内的性能，基于净现成本(NPC)和平准化氢成本(LCOH)等指标寻找最优配置；二是利用MATLAB/Simulink平台建立动态模型，对HOMER Pro优化出的系统配置进行实时运行验证，以评估其在可再生能源波动条件下的瞬态行为和稳定性，确保技术可行性。研究数据基于NASA提供的摩洛哥四个代表性城市（丹吉尔、乌季达、拉尤恩、达赫拉）的逐小时气象资料。
研究结果
3.1. 基于HOMER Pro的结果与讨论
3.1.1. 各区域可再生能源结构
HOMER Pro的优化结果显示，为满足7.28kg/h的连续氢气需求，不同区域的最优系统配置因其气候条件而异。达赫拉-瓦迪·达哈卜地区需要0.785 MW光伏和0.6 MW（60台）风电；拉尤恩-萨基亚阿姆拉地区需要1.04 MW光伏和0.44 MW风电；东部（乌季达）地区严重依赖光伏（2.526 MW），仅需少量风电（0.06 MW）；丹吉尔-得土安-胡塞马地区则需要1.8 MW光伏和0.27 MW风电。从能源结构看，达赫拉的风光配比最为均衡（光伏56.7%，风电43.3%），而北部地区如乌季达，光伏占比高达97.7%，表明在当前成本与系统参数下，光伏的经济性更具吸引力。
3.1.2. 经济指标分析：NPC与LCOH
经济性分析表明，达赫拉-瓦迪·达哈卜地区在四个研究区域中表现最佳，其净现成本(NPC)最低，为402万美元，平准化氢成本(LCOH)也最低，为5.42美元/kg。拉尤恩地区紧随其后，LCOH为5.57美元/kg。而北部的丹吉尔和乌季达地区成本较高，LCOH分别为6.86美元/kg和7.24美元/kg。这证实了摩洛哥南部地区因其优越的可再生能源禀赋，在绿氢生产的成本效益上更具优势。研究同时指出，当前较高的LCOH主要归因于项目规模较小（7.28kg/h），未能充分发挥规模经济效应。
3.1.3. 氢气储存
优化结果表明，所有区域的最优配置均包含100kg的氢气储罐，而电池储能在经济性上不具优势，被排除在最优系统之外。氢气储存水平在五、六、七月达到高峰，这与太阳能和风能资源的季节性峰值相符。
3.1.4. 项目规模对LCOH的影响
规模效应分析显示，扩大生产规模能显著降低LCOH。如果将氢产量提升至72,007kg/h（扩大近万倍），达赫拉地区的LCOH可降至3.89美元/kg，拉尤恩地区可降至4.13美元/kg。这清晰地表明，大规模部署绿氢生产是提升其经济竞争力的关键路径。
3.2. 基于MATLAB Simulink的结果与讨论
动态仿真验证了优化系统在变工况下的稳定运行能力。在变化的太阳辐照度（从600 W/m2阶梯增至1000 W/m2）和随机波动的风速（3-8.5 m/s）输入下，光伏系统和风力发电系统均能快速响应并输出稳定的直流电压。碱性电解槽(AWE)在联合供电下，氢气产率稳定在约12kg/h，超过了7.28kg/h的额定需求。这种“超量设计”是HOMER Pro优化策略的一部分，旨在通过生产过剩的氢气并储存起来，以应对可再生能源的间歇性，确保对生物燃料升级工艺的连续、可靠氢气供应。
结论与意义
本研究通过结合HOMER Pro技术经济优化与MATLAB/Simulink动态建模，对摩洛哥四个区域的太阳能-风能混合驱动绿氢生产系统进行了综合评估。结论明确指出，达赫拉-瓦迪·达哈卜地区是实施该绿氢项目的最优选址，其凭借最佳的可再生资源条件，实现了最低的NPC（402万美元）和LCOH（5.42美元/kg）。动态仿真成功验证了优化系统在可再生能源波动下的运行稳定性，电解槽能提供超过需求的氢气产率（~12kg/h），充足的氢气储存有效替代了电池储能，保障了连续供应。
本研究的核心意义在于：首先，它超越了单一的资源评估，首次将绿氢生产建模直接集成到SUSTEPS项目的生物燃料升级工艺链中进行系统分析，为“从可再生能源到绿色燃料”的全链条整合提供了实证案例。其次，研究揭示了项目规模是影响绿氢经济性的关键因素，规模效应分析表明大规模生产可显著降低LCOH，这为摩洛哥未来规划大型绿氢项目提供了重要的成本下降预期和数据支持。最后，综合运用技术经济优化与动态运行验证的方法学，为类似可再生能源制氢系统的设计与评估提供了可借鉴的完整框架。这项研究有力地证明了在摩洛哥，特别是其南部资源富集区，利用本地丰富的太阳能和风能生产绿氢，并直接用于可持续生物燃料制造，在技术上可行、运行上可靠，并且具备显著的经济潜力，为摩洛哥乃至类似资源禀赋地区的清洁能源转型和深度脱碳战略提供了切实可行的技术路径与决策依据。
