综述：北非绿色氢能发展中的可再生能源与水处理策略整合的技术经济分析：以摩洛哥为例

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Techno-economic analysis of integrated renewable energy and water treatment strategies for green hydrogen development in North Africa: The Moroccan case study

　　哈姆扎·卡尔迪（Hamza Khaldi）| 费蒂玛·埃尔·巴卡里（Fatima El Bakkari）| 穆阿德·布拉克巴尔（Mouaad Boulakhbar）| 哈米德·穆尼尔（Hamid Mounir）
EMISys研究团队，Mohammadia工程学院工程3S研究中心，穆罕默德五世大学（Mohammed V University），拉巴特（Rabat），摩洛哥

**摘要**
在北非地区，绿色氢气正成为一种战略选择，用于将过剩的可再生能源电力转化为能源载体和潜在的出口商品。本文以摩洛哥为例，量化了水-能源整合所面临的挑战。在水资源紧张的背景下实现这一目标的关键在于确保获得大量适用于电解器的水资源。我们通过将反渗透（reverse osmosis）与电去离子化（electrodeionization）相结合，并利用摩洛哥的可再生能源特性来满足这一需求。首先，我们对可再生能源资源、海水淡化方案以及各类电解器及其用水要求进行了详细研究；随后设计了基于交流电（AC）或直流电（DC）的电力-水整合方案，包括最大功率点跟踪（MPPT）控制和储能管理，以确保反渗透（RO）的出水流量和电去离子化（EDI）的稳定运行。技术经济评估显示，在不同储能比例（0%至10%）下，水的成本介于每立方米1.33至1.43美元之间，而氢气的成本则在每吨11.95至12.88美元之间；以电网基准电价（每千瓦时0.11美元）计算，水的成本为每立方米1.42美元，氢气的成本为每吨12.76美元。在储能比例最低的情景1中，成本最为合理且系统运行稳定。研究结果表明，沿海选址、混合型的交流/直流微电网以及电网数字化能够减少电力削减并稳定海水淡化过程；储能规模和电力质量是影响成本的主要因素。所提出的工作流程和成本控制措施适用于北非类似的情况，具体数值以摩洛哥案例为准。总体而言，这些发现证实了该方案的可行性，指出了电网、储能和盐水处理的限制，并明确了实现近期目标所需的选址和政策措施。

**引言**
北非正逐渐成为可再生能源（RE）和绿色氢气（GH2）发展的战略区域，得益于其丰富的太阳能和风能资源、不断增长的电力需求以及新兴的工业和出口机会。然而，区域转型受到电力系统限制（尤其是电网升级、灵活性需求以及整合可变可再生能源发电的能力）的制约。此外，水资源短缺是多个北非国家面临的结构性问题，这对绿色氢气的规模化生产至关重要，因为电解过程需要高质量的水源。突尼斯和埃及等国家正在推进可再生能源项目及相关基础设施，并积极探索氢能相关的发展路径，但仍面临间歇性管理、电网整合和资源限制等核心挑战[1]。

摩洛哥凭借其战略地理位置和丰富的自然资源，在能源转型和气候变化减缓方面表现出坚定承诺，旨在成为非洲领先的绿色氢气生产中心。可再生能源领域的发展主要旨在减少对能源进口的依赖、扩大清洁能源的普及范围并加强区域合作[2]。该国2009年推出的《国家能源战略》旨在实现能源结构的多元化并降低对化石燃料的依赖。该战略的核心是推进大规模可再生能源项目，尤其是装机容量达510兆瓦的努尔·奥瓦拉扎特太阳能电站（Noor Ouarzazate Solar Complex），这是全球最大的聚光太阳能发电站[3]。摩洛哥还实施了多项法规改革，以放宽可再生能源市场准入并吸引私人投资。第13-09号法律经第58-15号法律修订后，允许独立电力生产商直接将电力出售给消费者[4]。这些战略举措与摩洛哥的绿色氢气发展目标及经济发展计划共同提升了其生产规模、竞争力和技术水平，为国际合作创造了更多机会[5]。尽管如此，摩洛哥能源行业仍面临供应链问题（如储能设施、运输和分配系统的建设）。

地缘政治紧张局势可能扰乱北非地区的能源供应和战略资源获取，导致价格波动和供应不确定性。为此，多个北非国家正在加速可再生能源部署并发展新的清洁能源产业链，以增强能源安全。绿色氢气作为脱碳的关键推动力，为能源结构多样化、提升能源安全和促进区域经济发展提供了重要机遇。摩洛哥通过国家倡议和政策，致力于构建绿色氢气市场，推动德摩合作[6]。结合可再生能源发电与氢气生产的混合解决方案有助于难以减排的行业（如重工业、交通运输和发电站）的脱碳。

尽管绿色氢气在北非具有巨大潜力，但其实际应用仍受科学、工程、能源和经济因素的限制。太阳能和风能驱动的电解技术，通过优化设施布局（如将可再生能源发电设施与电解器共址）可以提高效率并降低成本，从而实现更低碳的发展路径[7]。提高水电解效率需要从电气、电化学、热力学和流体力学角度优化电流密度[8]。绿色氢气的经济可行性取决于降低生产成本、建立支持性政策框架以及吸引大量投资，这些仍是摩洛哥等国家的持续挑战。

在系统层面，北非国家的能源转型需要现代电网管理和储能解决方案，以应对可再生能源（如太阳能和风能）的不可预测性和间歇性问题，同时保障工业应用的电力质量。这一转型不仅是技术变革，也是经济转型，将创造新的市场机会、就业机会和可持续增长路径。扩大绿色氢气生产需要金融机制、激励措施和能力建设，以支持基础设施建设和技术本土化。

摩洛哥拥有受监管的电力市场，国家电力和水资源机构ONEE负责管理电力基础设施，并以补贴价格向终端用户供电。随着可再生能源发电能力的提升，这一框架为绿色氢气产业的发展提供了支持。然而，严重的水资源短缺仍是关键制约因素，因此海水淡化成为长期水资源管理和可持续性规划的关键环节。

大量文献研究了摩洛哥可再生能源的发展情况，强调了其绿色氢气生产的巨大潜力。尽管这些研究多侧重技术层面，但缺乏全面的社会经济或政策分析。本文旨在探讨可再生能源发展与氢气生产之间的联系，特别关注水资源管理和海水淡化方面的战略经济影响，评估海水淡化与绿色氢气生产整合的经济可行性，并比较不同能源组合下的成本。

**论文结构**
第2节概述了摩洛哥的主要可再生能源项目及发展挑战，重点介绍战略路线图；第3节分析摩洛哥的海水淡化基础设施和技术在绿色氢气生产中的作用；第4节探讨氢气整合在淡化基础设施中的挑战与战略前景；最后一部分总结研究结果，提出政策建议和未来研究方向。

**当前与目标可再生能源格局**
北非各国在共同驱动因素（如电力需求增长、对化石燃料进口的依赖以及气候挑战加剧）的推动下加快能源转型。区域规划强调该地区拥有丰富的太阳能和风能资源，同时存在电网扩展、互联互通和系统灵活性方面的需求。尽管发展速度各异，但仍存在一些共同障碍。

**海水淡化基础设施和技术**
水资源短缺已成为摩洛哥最紧迫的结构性问题之一。不规律的降雨模式、过度开采的地下水资源以及有限的淡水资源加剧了这一挑战。为此，海水淡化成为摩洛哥水资源战略的核心组成部分，尤其是与可再生能源结合使用时，可减少淡化过程的环境影响。

**成本分析与LCOE比较：摩洛哥能源转型的案例研究**
评估可再生能源与智能电网整合到淡化厂中的成本至关重要，需确保水质适合氢气生产。这需要准确的数据收集和可靠的能源成本信息。此外，应使用公认的方法（如折现成本LCOE）进行结构化分析。

**氢气整合在淡化基础设施中的挑战与战略前景**
北非地区的水资源紧张和绿色氢气战略的发展使淡化厂（尤其是采用反渗透技术的工厂）成为潜在的绿色氢气生产中心。摩洛哥日益严重的水资源短缺及其雄心勃勃的氢能发展计划，使得采用反渗透技术的淡化厂成为绿色氢气生产的理想场所。虽然技术基础令人看好，但仍有改进空间。

**结论与未来工作**
本研究以摩洛哥为案例，详细探讨了北非绿色氢气整合的挑战与解决方案，证实了通过反渗透-电去离子化流程生产适用于摩洛哥条件的电解器级水的可行性。该流程的选择基于对淡化技术的全面评估。

**作者贡献声明**
H. 卡尔迪（H. Khaldi）：研究、方法论、数据分析、初稿撰写；审稿与编辑。
F. 埃尔·巴卡里（F. El Bakkari）：撰写、审稿与编辑、数据分析。
M. 布拉克巴尔（M. Boulakhbar）：研究、撰写、审稿与编辑、方法论。
H. 穆尼尔（H. Mounir）：项目监督、项目管理、方法论。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢编辑、副编辑及三位匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些帮助我们改进了论文质量。