绿色液态氢生产用于飞机加油的技术经济研究：以图卢兹-布拉尼亚克机场为例

《Renewable Energy Focus》：Techno-economic study of green liquid hydrogen production for aircraft refuelling: a case study of Toulouse-Blagnac Airport

　　Kolthoum Missaoui | Victor Hugo Cantu Medrano | Sultan Mahmood | Alan Jean-Marie Capgemini工程研发部法国分公司，Didier Daurat大道31700号，Blagnac，法国 **摘要** 本研究对绿色氢气电解生产系统进行了技术经济分析，作为替代煤油基航空燃料的方案。评估了使用碱性水电解（AWE）或质子交换膜水电解（PEMWE）结合太阳能光伏（PV）或海上风能（WO）的情景。研究还探讨了将副产氧气用于医疗应用的可能性。评估的经济指标包括氢气生产的平准化成本（LCOH）、净现值（NPV）和回收期（PBP）。首先利用图卢兹机场的每日航空流量数据估算了氢动力国内航班所需的液态氢（LH2）燃料量。通过建模氢气供需（S/D）管理并考虑电解槽的衰减情况，确定了LH2供应链的关键组成部分的规模。该系统采用基于Python的约束非线性优化算法进行优化，以确定成本最优的电解功率和氢储存容量，同时确保持续满足LH2需求。这种方案在技术、运营和时间依赖性约束下最小化了总系统成本，包括气候资源变化、电价波动和电解槽衰减等因素。开发的基于Python的模型用于经济优化电解功率和氢储存容量。结果表明，电解功率对总成本的影响大于储存容量；能源成本占氢生产成本的比重超过67%。通过利用多余能源，排除电力费用后，使用AWE的LCOH降至3.42欧元/千克（而使用PV电力的LCOH为15.32欧元/千克，使用WO电力的LCOH为23.44欧元/千克）。AWE_PV情景（结合AWE和PV电力）表现出最低的LCOH、最高的NPV和最短的回收期。尽管LCOH增加了约6%，但副产氧气提高了盈利能力，NPV增加了超过70%，同时缩短了回收期。这种评估还有助于降低燃料市场的氢价格，即使在氢售价远低于其他情景的情况下（AWE_PV情景的氢售价是其他情景的3倍以上），也能实现可接受的回收期。 **引言** 作为其能源转型和可持续发展计划的一部分，法国奥克西塔尼地区旨在到2050年成为欧洲领导者，实现所有能源需求的可再生能源供应。该地区已在多个领域启动了多项计划，包括图卢兹-布拉尼亚克机场。机场是能源密集型设施，由于飞机的高能耗而消耗大量能源。航空业作为主要的碳排放来源之一，占所有运输工具二氧化碳排放量的12%（例如2015年，全球航班产生了7.7亿吨二氧化碳[1]）。为了减少对化石燃料的依赖，绿色氢气被视为实现航空业脱碳的最有前景的替代燃料。绿色氢气可由可再生能源生产，其燃烧仅产生水，且具有所有传统燃料中最高的单位质量能量密度。然而，绿色氢气在飞机上的应用仍处于研发阶段。目前，只有少数氢动力飞机原型投入使用，最多可容纳10名乘客，如Antares DLR-H2、HK36 Super Dimona、ZeroAvia、ENFICA-FC和HY4[2]。此外，绿色氢气的成本仍远高于化石燃料，这是其推广的主要障碍之一。 氢供应链不同阶段遇到的各种技术和经济限制使得绿色氢气成为一种不太可行且成本较高的燃料。这些限制主要与绿色氢气的低体积密度有关，这使其在运输和储存方面不如其他燃料有利。多项研究表明，液态氢是适用于飞机的最佳解决方案，因为飞机对空间和重量的要求较高，而液态氢在-252.9°C时的体积密度为70.9千克/立方米，远高于压缩气体氢在700巴压力和20°C时的39.75千克/立方米[3]。因此，本研究选择液态氢作为燃料。然而，液态氢的储存和运输需要-253°C的低温条件，这导致额外的能源和投资成本。绿色氢气生产阶段的另一个障碍是电解技术的复杂性和相对不成熟的状态。绿色氢气的生产成本很高（可能超过10美元/千克[4]），使其无法与通过蒸汽甲烷重整（SMR）生产的灰氢（1.87至2.60美元/千克）竞争。氢的成本受多种因素影响，如可再生能源类型、运营策略、氢供应链架构以及设备规模和技术。因此，对这些系统进行经济研究以确定降低成本、提高绿色氢气可获取性的解决方案非常重要。Touili等人[6]对摩洛哥不同气候条件下使用水电解技术生产绿色氢气进行了分析，模拟了四种不同配置的太阳能发电厂（均为100兆瓦的名义容量，采用不同的技术：固定式光伏、单轴跟踪光伏、双轴跟踪光伏和斯特林碟式光伏），并与PEMWE结合使用。结果表明，在摩洛哥，单轴跟踪光伏技术从技术经济角度来看是最优的绿色氢气生产方式，其LCOH最低（5.8美元/千克）。Rahmouni等人[7]评估了氢气满足阿尔及利亚交通运输需求的潜力，并分析了水电解生产氢气的成本及相关环境效益。他们预测到2045年，阿尔及利亚的氢年需求量将达到94.55万吨，二氧化碳排放量将大幅减少。基于太阳能的氢气平均LCOH范围为5美元/千克至0.9美元/千克。