农业田间作业的农场内氢气生产与利用的技术经济评估

《Energy Reports》：Techno-economic assessment of on-farm hydrogen production and utilisation for agricultural field operations

　　

氢作为能源载体在包括农业在内的各行业脱碳方面日益受到关注。然而，对于燃料需求在一年中波动显著的去中心化和农场规模化氢气生产与利用解决方案，仍缺乏深入了解。与许多先前研究的氢气应用相比，农业田间作业的特点是燃料需求高度季节性且使用时间集中，这强烈影响存储需求、组件利用率以及农场内氢气系统的经济性能。基于瑞典乌普萨拉一个虚拟200公顷谷物农场的田间作业每小时能量需求估计，研究人员评估了一种通过电解生产氢气的农场内氢气生产厂，用于为农业田间作业提供氢气，采用不同的光伏（PV）发电和电网电力配置。经济评估了三种氢气系统情景：电网供应、平衡供应和孤岛运行，并与传统柴油动力系统在30年寿命期内进行了比较。所有基于氢气的系统与柴油系统相比均产生更高的成本，平衡供应情景的净现值成本至少为209万欧元，而柴油系统为81万欧元。最低的氢气平准化成本为平衡供应情景下的30.8欧元每千克。如果多余的氢气在农场门口出售，氢气平准化成本可能降至8.4欧元每千克。在进一步考虑外部购买氢气以及农场内存储和加注的敏感性分析中，相对于柴油的盈亏平衡农场门氢气价格估计约为1.5欧元每千克。

论文解读文章：

**研究背景与问题**
农业领域对化石燃料的依赖导致温室气体排放显著，瑞典农业占2021年总排放量的14%，其中机械操作贡献了非道路车辆排放的15%。氢气作为一种可再生能源载体，在难以电气化的应用中受到关注，但其在农业中的去中心化应用研究不足。现有研究多集中于大型集中式系统，缺乏对农场规模、季节性燃料需求的具体分析。农业田间作业的燃料需求高度季节性，且使用集中，这影响存储需求、组件利用率和经济性能。因此，本研究旨在评估农场内氢气生产与利用的技术经济可行性，以解决这一关键问题。

**研究内容与结论**
研究人员基于瑞典乌普萨拉一个虚拟200公顷谷物农场（种植大麦、燕麦、春小麦和冬小麦）的模拟，开发了氢气生产模型，集成光伏（PV）系统、电池、聚合物电解质膜（PEM）电解器、压缩机和存储设备。研究模拟了2005-2018年的每小时能量需求，并设计了三种氢气系统情景：电网供应（Grid Supply）、平衡供应（Balanced Supply）和孤岛运行（Island Operation），并与传统柴油系统在30年寿命期内进行比较。结果表明，所有氢气系统的净现值成本（NPC）均高于柴油系统（0.81百万欧元），最低NPC为平衡供应情景的2.09百万欧元。最低平准化氢气成本（LCOH）为30.8欧元/千克（平衡供应情景）。通过敏感性分析，出售多余氢气可将LCOH降至8.4欧元/千克，但盈亏平衡点需氢气价格约1.5欧元/千克才能与柴油竞争。研究结论指出，单农场规模下氢气经济性受限，主要受季节性需求和低利用率影响，提高系统利用率或降低氢气供应成本是关键。

**技术方法**
研究整合了两个模拟模型：农场模型（基于离散事件模拟，输入包括降雨、作物轮作和农业实践，输出每小时氢气需求）和氢气生产模型（包括PV系统、电池、电解器、压缩机和存储）。系统配置通过枚举不同组件尺寸（如电解器功率50-200千瓦、存储容量100-1200千克）进行优化，以最小化NPC和LCOH。经济评估采用净现值（NPC）和平准化成本（LCOH），考虑资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）和贴现率（5%）。敏感性分析评估了出售多余氢气和外部购买氢气的情景。

**研究结果**
- **氢气需求概况**：燃料电池拖拉机平均每年需3430千克氢气，柴油系统平均每年消耗18,774升柴油。
- **柴油参考系统**：柴油系统NPC为0.81百万欧元（30年寿命）。
- **系统配置**：在电网供应和平衡供应情景中，最小电解器功率为50千瓦，存储容量范围为100-1200千克。平衡供应情景中，PV系统尺寸确定为200千瓦以实现电网平衡。
- **情景结果**：电网供应情景最低NPC为2.10百万欧元（170千瓦电解器、300千克存储），平衡供应情景为2.09百万欧元（180千瓦电解器、200千克存储），孤岛运行情景为3.59百万欧元（300千瓦电解器、1000千克存储）。所有氢情景的LCOH范围为30.8-58.4欧元/千克，远高于柴油成本。
- **敏感性分析**：出售多余氢气时，平衡供应情景中，最小工作提前缓冲时间为3天，电解器容量因子从11.6%提高到73.7%，LCOH降至8.4欧元/千克。当氢气出售价格为9欧元/千克时，NPC低于柴油系统。外部购买氢气情景中，100千克存储容量下，盈亏平衡价格为1.5欧元/千克（基准柴油价格），柴油价格增加50%和100%时分别增至5.5和10欧元/千克。

**讨论与结论**
研究讨论指出，农业能源需求的强烈季节性导致组件利用率低，这是成本高的主要原因。尽管出售多余氢气可提高经济性，但下游运输和加注成本未考虑，实际可行性需进一步研究。与大型集中式系统相比（LCOH约4-9欧元/千克），单农场系统成本较高，表明规模化生产可能更经济。结论强调，氢气在农场操作中技术上可行，但经济性受限于季节需求和当前技术成本。未来研究应探索提高利用率（如多农场聚合或外部用户）、利用副产品（如热和氧）及优化系统设计。本研究发表在《Energy Reports》，为农业脱碳提供了重要参考。