《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Techno- economic modelling tools for nuclear hydrogen production: a comparative evaluation based on case study results
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在核能非传统用途（如利用核电能和/或热能生产核动力氢）日益受到关注的背景下，需要对混合系统进行整体研究的技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）工具。本文提出对五种用于核动力氢的TEA工具进行全面评估：HydCalc和HEEP
在核能非传统用途（如利用核电能和/或热能生产核动力氢）日益受到关注的背景下，需要对混合系统进行整体研究的技术经济分析（Techno-Economic Analysis, TEA）工具。本文提出对五种用于核动力氢的TEA工具进行全面评估：HydCalc和HEEP（国际原子能机构IAEA）、H2A（美国国家可再生能源实验室NREL）、OptimHyzer（西屋电气Westinghouse）和Cairn（法国原子能和替代能源委员会CEA）。比较评估结合了定性和定量分析。定性评估侧重于九个特征，如时间分辨率、应用领域、透明度和更新频率。定量评估基于位于乌克兰罗夫诺核电站（Rivne nuclear power plant）的详细案例研究，该研究基于EURATOM资助的NPHyCo项目的综合数据。比较侧重于平准化制氢成本（levelized cost of hydrogen, LCOH），使用逐步复杂的参考案例来区分五个工具。本工作在基准测试先前未在比较背景下评估的TEA工具方面做出了新颖贡献，并在统一评估框架中比较了定性特征和定量性能指标。这种集成方法揭示了所选工具之间的重要差异，并为在核氢项目开发的不同阶段选择最合适的工具提供了实用指导。
论文发表在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》。研究背景方面，氢能正在成为向碳中和经济转型的关键推动者，欧洲绿色协议设定了2050年净零排放目标，欧盟氢能战略计划到2030年部署40GW电解槽产能。然而，欧洲仍严重依赖碳密集型制氢方法，且当前氢能法规忽视了核动力电解制备低碳氢的潜力。俄乌冲突后的能源危机凸显了欧盟对进口天然气的依赖，重新激发了对作为低碳过渡源的核能的兴趣。在此背景下，EURATOM资助的核动力氢热电联产（Nuclear Powered Hydrogen Cogeneration, NPHyCo）项目研究了利用现有核反应堆短期部署大规模制氢，这代表了核能除发电外的非传统用途。目前存在的问题是，现有的技术经济分析（TEA）工具缺乏系统的比较评估，现有研究主要关注LCOH等定量输出，未评估在不同项目阶段影响工具适用性的定性能力。因此，研究人员开展了对五种TEA工具的统一定性与定量比较研究，以填补方法论和实践空白，为研究人员和决策者提供结构化依据。
研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：选取HydCalc、HEEP、H2A、OptimHyzer和Cairn五款工具；定性评估基于九项关键绩效指标（Key Performance Indicators, KPIs），包括时间分辨率、应用领域、范围、输入细节、输出细节、可配置性、透明度、开放数据库和更新频率，评分范围0至3；定量评估基于NPHyCo项目的罗夫诺核电站案例，模拟核电与氢电厂（Hydrogen Power Plant, HPP）耦合的混合系统，计算平准化制氢成本（LCOH）及含输送的平准化氢成本与输送（Levelized Cost of Hydrogen and Delivery, LCOHD）；通过基准化调和输入假设（如设置通胀率为0%、固定电价、排除电解槽退化、统一折现率）以确保跨工具可比性；评估不同核电与氢电厂集成度及输送方式（管道与公路卡车拖车）的影响。
研究结果部分，首先是定性评估结果。研究人员通过雷达图展示各工具在九项标准上的排名。HydCalc无时间分辨率概念，HEEP和H2A需年度数据，OptimHyzer处理小时级数据，Cairn可管理任意时间步长。应用领域上，HEEP聚焦核动力电解或热化学制氢，HydCalc和H2A可模拟煤气化等其他方法，OptimHyzer仅聚焦电解并可结合可再生能源，Cairn不限氢生成。范围上，HEEP、OptimHyzer和Cairn模拟全链条，HydCalc仅产氢，H2A因运行时错误未用输送模块。输入细节上，HydCalc参数有限，H2A和HEEP较多，OptimHyzer和Cairn更精细如计入堆栈退化。输出上，HydCalc仅总成本，H2A和HEEP提供LCOH，OptimHyzer含敏感性分析，Cairn确定最优尺寸与策略。可配置性上，HydCalc无定制，HEEP可改数据，Cairn可改架构，OptimHyzer和H2A为Excel基易添功能。透明度上，OptimHyzer专有不可及，其余免费或有文档，Cairn开源。开放数据库上，OptimHyzer和Cairn无预设，HydCalc每技术一个，HEEP和H2A有多个案例，HEEP含真实核电厂数据。更新频率上，HydCalc自2013未更，H2A未更，HEEP 2021更，OptimHyzer依项目请求更，Cairn 2025开源。总分高不代表更好，HydCalc受限排除，HEEP和H2A适高层研究但不支持小时级与退化计算，Cairn和OptimHyzer适详细策略分析但复杂难及。
其次是定量评估结果中的参考案例结果。研究人员计算参考场景（HPP连外部电网）LCOH，OptimHyzer和Cairn分别为6.46 �/kgH2和6.48 �/kgH2，成本构成相似，微小差异源于设备尺寸与退化处理；Cairn在16年期内优化年度尺寸，退化通过调整电量保氢产出，用最大年产能算资本支出（CAPEX）与固定运营支出（OPEX），生成小时数据贴现；OptimHyzer退化通过降氢产出保电量，16年小时模拟，第8年因堆栈退化需再投资，资产优化手动，含折现通胀。HEEP和H2A较低为5.51 �/kgH2和5.3 �/kgH2，成本分配不同，翻新费归电力而非电解槽CAPEX，但均认同电力消耗为主驱动，水成本可忽略，CAPEX次之。
接着是基准测试与参考案例输入调和。研究人员简化复杂模型匹配高层工具，设通胀0%，固定乌克兰2021年均电价78.2�/MWh，排除电解槽退化（第8年换栈33% CAPEX），统一折现率12%（H2A用税后内部收益率（Internal Rate of Return, IRR）12%）。调和后所有工具LCOH接近均值5.51 �/kg H2，偏差至多±1.3%，OptimHyzer和Cairn较原高级功能场景降约17%（约0.95 �/kgH2）。
然后是核电与氢电厂集成度评估。电气集成场景中，核电以40.12 �/MWh平准化电力成本（Levelized Cost of Electricity, LCOE）供电给HPP，涉451万欧核电改造与218万欧杂交节省。所有工具LCOH降约42%，OptimHyzer和Cairn为3.71 �/kgH2和3.74 �/kgH2，H2A和HEEP为3.18 �/kgH2和3.25 �/kgH2。成本构成因建模异：OptimHyzer全碱性电解槽（Alkaline Electrolyzer, AEL） CAPEX（无集成省）等归“AEL”；Cairn调AEL CAPEX减集成省，翻新归OPEX；HEEP仅净AEL CAPEX，OPEX翻新归“NPP electricity”。差异不影响总LCOH但显成本分配逻辑异。
氢气管输成本建模评估方面，参考场景加100km专用管输，LCOHD较参考增约30–40%。OptimHyzer最高9.11 �/kgH2，电因压缩升，增压缩CAPEX等非电OPEX 0.23 �/kgH2、存储0.22 �/kgH2、管输1.99 �/kgH2。HEEP最低8.22 �/kgH2，制造成本同参考，管输可比，存储压缩合0.64 �/kgH2。Cairn优化得40MW电解槽，均产595 kgH2/h，负荷83.3%，存储缩至2400 kgH2（他工具设12000kgH2），用487 �/MW CAPEX对应30MW电解槽，LCOHD 8.57 �/kgH2，因优化尺寸与16年累计高产摊薄运输成本。
氢卡车轮拖车输成本建模评估方面，159km公路运较100km管输LCOHD约降4%，公路显更经济。OptimHyzer最高8.78 �/kgH2，路运1.69 �/kgH2，16年期估需4卡车8管拖，拖寿15年不换，卡寿5年换12次。HEEP最低7.87 �/kgH2，路运1.74 �/kgH2。Cairn优化得40MW电解槽产598 kg H2/h，存储3000 kgH2，负荷87.2%，车队10卡拖一体（OptimHyzer分计），路运1.53 �/kgH2，设16年恒产致总氢产出更高摊薄成本。差异源于模型假设与策略，OptimHyzer和Cairn具资产与车队管理细节。
总结讨论部分，研究人员结合定量与定性准则评估五款TEA工具。定性显各工具适特定建模需：OptimHyzer和Cairn以高时间分辨率与可配置性适动态细究；HEEP和H2A透明显浅适初评与通评；HydCalc限但适简产析。定量参考案例证电力为LCOH主导驱，次为CAPEX，水可忽略；基准调和显OptimHyzer和Cairn的高级功能（退化、通胀、小时级）可致LCOH增达17%；电气集成显成本分配异但不显著影响总值；LCOHD异主因建模假设如Cairn自动优化尺寸与高产摊薄成，OptimHyzer和Cairn具输送存细节，HEEP缺动态输模，H2A的HDSAM不可用。LCOH或LCOHD变异反映方法论选非根本成本差，一致性强固评估。工具深限仅支高层筛选，高分辨细观工具有助优成、识险、定技尺。选具须配TEA需：高层初析用免费简具如H2A、HEEP；确认战投则用准弹具如OptimHyzer、Cairn支稳决。未来可研核电解进阶运策如电解柔网及纳二氧化碳排省入TEA。
结论部分翻译：本研究结合定量与定性标准评估五种用于核氢生产的TEA工具：HydCalc、OptimHyzer、Cairn、HEEP和H2A。分析基于NPHyCo项目的详细案例研究，考察罗夫诺核电站的氢热电联产。五种工具的定性分析基于九个关键特征。结果表明每种工具均针对特定建模需求定制。OptimHyzer和Cairn等工具因其高时间分辨率和可配置性而脱颖而出，适用于动态和详细的系统研究。HEEP和H2A建模深度较浅但透明度较高，理想用于初步和更通用的技术经济评估。HydCalc虽然范围和灵活性较有限，但仍适用于更简单的以生产为重点的分析。定量视角补充了这些发现。基于平准化电解（LTE）的参考案例证实，电力是平准化制氢成本（LCOH）的主要成本驱动因素，其次是资本支出（CAPEX），水成本可忽略不计。基准测试有助于协调各工具间的假设，揭示OptimHyzer和Cairn中可用的高级建模功能（如退化、通胀、小时分辨率）可使LCOH增加高达17%。电气集成场景突出了成本分配的重要变化，尽管这些差异不会显著影响总LCOH。尽管各工具间观察到一些差异，但由于基准测试使用了协调的输入假设，总体范围仍然相对较窄。因此，LCOH的差异主要反映工具特定的建模方面——如时间分辨率、退化建模或成本分配——而非数据差异。对平准化氢成本与输送（LCOHD）也得出了相同结论。虽然LCOHD值在工具间略有不同，但差异并不特别显著，主要源于建模假设——特别是在Cairn中，自动优化的尺寸和更高的累计氢产量导致更有利的成本分布。更具启示性的是每种工具对运输和物流建模的差异。OptimHyzer和Cairn为氢输送系统（包括运输和存储策略）提供了全面的资产级建模和操作细节。相比之下，HEEP缺乏动态运输建模，仅关注成本计算，而原本旨在补充H2A进行输送建模的HDSAM模块在本分析中不可用。所研究的TEA工具间LCOH或LCOHD值的变异反映了方法论选择而非根本成本差异，结果间的总体一致性加强了比较评估的稳健性。这些差异对现实世界的核氢项目具有实际意义：建模深度有限的工具仅支持高层筛选，而具有更高时间分辨率和系统级细节的工具能够实现更稳健的成本优化、风险识别以及技术或规模决策。正如最近的标准化TEA框架所强调的，使工具的建模能力与决策环境保持一致对于确保可靠且行业相关的TEA输出至关重要。最终，建模工具的选择应与TEA的特定需求相一致。对于高层初步分析，免费且简化的工具如H2A和HEEP是合适的。然而，如果氢投资被确认且具有战略意义，更准确灵活的工具——能够进行详细系统优化和情景分析——如OptimHyzer和Cairn，对于支持稳健决策变得至关重要。未来工作可聚焦于核动力电解的先进操作策略，包括分析电解槽可为电网提供的灵活性，以及将二氧化碳减排纳入TEA框架。
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