氢气日益被视为实现难减排领域脱碳的战略性能源载体，为联合国可持续发展目标尤其是可持续能源目标7和气候行动目标13的实现提供了直接支持[1]、[2]。在各种水电解技术中，质子交换膜电解技术因其具有高纯度的氢气产出、快速的响应速度、宽广的电流密度工作范围，以及能够在差压环境下运行的特点，而备受关注，因此特别适合用于低碳电力驱动的应用场景[3]。同时，最近的有关质子交换膜电解的技术经济研究表明，氢气成本和系统效率受到电解槽性能、辅助设备、运行时间以及各种假设条件的影响，因此仅依据电解槽的性能指标并不足以对系统进行准确的评估[4]、[5]。
地热能则为可再生氢气的生产提供了一条独特的途径。与不稳定的太阳能和风能不同，地热能能够提供稳定且可调控的低碳能源，其运行条件相对稳定，且具备较高的利用潜力[6]。对于低品位和中等品位的地热资源，二元有机朗肯循环系统依然是最常用的转换方式，因为这类系统非常适合用于低品位热量的回收，而且能够利用那些不适合直接用于蒸汽膨胀的地热流体来发电[6]、[7]。正因如此，地热-有机朗肯循环-质子交换膜相结合的模式非常适合用于分散式氢气生产，尤其是当能够回收低品位热流时，还可以减少电解系统中的辅助加热需求。
现有的关于可再生氢气的研究表明，氢气成本和竞争力在很大程度上取决于资源质量、容量因子、电力系统配置、电解槽性能以及特定地区的经济条件[8]、[9]、[10]。最近的质子交换膜相关研究进一步强调了，除了考虑名义上的电解槽效率外，还需要充分考虑系统运行的不确定性、设备老化问题以及系统级的辅助用电需求[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
相比之下，关于地热-氢气组合的研究相对较少，大多集中在确定性的热力学分析、子系统配置或概念性可行性评估方面。这一点非常重要，因为地热资源状况决定了有机朗肯循环的发电量和热量回收潜力，进而影响质子交换膜的反应过程、氢气产量以及整个系统的能源消耗强度；而输送压力和财务假设则会影响生命周期成本和内部收益率[4]、[16]、[17]、[18]、[19]。
在评估地热-有机朗肯循环-质子交换膜系统时，一个重要问题就是比较它们的性能和实际应用价值与那些更为成熟的基于可再生能源发电的方案，比如光伏-质子交换膜系统和风能-质子交换膜系统。只有在地热资源能够提供稳定运行、高利用率以及有利本地条件的情况下，这样的比较才具有实际意义，因为这些条件或许可以弥补有机朗肯循环发电过程中存在的热力学损失[20]。
目前公布的绿色氢气成本估算值因可再生资源的品质、工厂的利用率、系统设计以及财务假设的不同而存在很大差异。在中国，基于风能和光伏的质子交换膜系统的生命周期成本在3.33美元/千克到10.24美元/千克之间[21]；而在哥伦比亚，2030年时基于风能的绿色氢气生命周期成本为1.63美元/千克，基于太阳能的则为3.72美元/千克[22]，这体现了风能资源更强的成本优势。同样，针对智利的太阳能和风能混合发电系统的研究显示，绿色氢气的成本在2.09美元/千克到3.28美元/千克之间[23]，这说明通过混合使用不同能源可以提高系统的竞争力，使其优于仅依靠单一能源的系统。
不过，这些研究仅仅提供了参考依据，因为不同资源条件、项目规模、成本计算年份、电解槽配置、系统边界以及氢气输送压力等因素的存在，使得这些系统无法直接进行比较。因此，地热-有机朗肯循环-质子交换膜系统应被视为一种互补的可再生氢气生产方式，其优势在于在具备地热资源的地区能够实现可控的电力供应和稳定的年度发电量，尽管这种基于有机朗肯循环的发电方式会带来一定的转换损失[24]。
表1对比了目前最接近的地热-氢气相关研究和地热-有机朗肯循环-质子交换膜相关研究，重点分析了这两种研究中有机朗肯循环与质子交换膜之间的耦合方式、辅助用电需求、氢气压缩以及技术经济指标等方面的差异。
总体而言，这些研究涵盖了地热-氢气整合过程中的多个重要方面，包括电力系统运行、水处理与能源利用的结合、地热能的再利用以及有机朗肯循环的配置选择等。本研究则在这些研究的基础上，将地热资源状况、有机朗肯循环的发电量、质子交换膜的需求、各种辅助负载、与输送压力相关的氢气压缩需求以及项目层面的经济指标统一到一个稳态分析框架之中，从而进一步完善了相关研究内容。
因此，本研究构建了一个用于地热驱动氢气生产的综合热经济分析框架，该框架将地热资源状况与工厂层面的技术和经济性能紧密联系在一起。它把地热溴水的特性、有机朗肯循环的发电能力、用于电解槽补充水预热的回收热量、质子交换膜电解过程以及与压力相关的氢气压缩过程都整合到同一个稳态分析结构中。该框架能够明确地将有机朗肯循环产生的净电能与质子交换膜堆、工厂其他设备、氢气压缩以及必要的辅助加热需求之间的用电关系协调起来，从而为评估整个系统的单位用电量、氢气产量以及相关技术经济指标提供统一的分析基础。该框架被应用于不同的氢气输送压力场景中，同时结合不确定性分析方法，用以研究资源、运行条件和经济因素如何影响生命周期成本、净现值、内部收益率以及氢气的盈亏平衡价格。通过这种方式，该研究有助于在特定的技术和经济假设条件下，对地热-有机朗肯循环-质子交换膜氢气生产集成系统进行早期阶段的评估[26]、[27]、[28]。
