摩洛哥光伏-风电-氢混合能源系统的技术经济评估与风险调整分析：迈向经济高效的低碳电力供应

《Journal of Cleaner Production》：Techno-economic and risk-adjusted assessment of PV–wind–hydrogen hybrid energy systems in Morocco: Towards cost-effective low-carbon electricity supply

　　

**摘要要点**

• 基于TRNSYS对达赫拉地区三种氢气辅助型HRES构型进行优化
• 光伏与风能的互补性使可再生能源渗透率提升至约70%
• 情景2将天然气发电机贡献限制在年发电量的约16%
• 财务风险缓释措施将税后加权平均资本成本（WACC）从9.6%降至6.6%
• 调整后平准化度电成本（LCOE）在所有构型中降低约19–23%

**引言**

为满足我们在食品生产、教育或医疗等领域的多元化需求，电能如今已成为不可或缺的资源。因此，随着能源需求的增长，全球电气化进程正逐日加速。多个领域涉及电力消费，无论是工业还是家庭领域（Cooper and Hammond, 2018; Gebre and Gebremedhin, 2019; Chen et al., 2019）。然而，据估计，全球仍有12亿人，约占全球人口的17%，尚未满足其能源需求。仅在非洲，这一比例可能高达人口的50%，他们无法获得电力（Yimen et al., 2025），而在摩洛哥更是如此（Mohammed, 2025; Bouramdane, 2024; El Hafdaoui et al., 2025）。尽管这一令人沮丧的事实存在，考虑到化石燃料储量有限且直接影响气候变化（Tissaoui and Zaghdoudi, 2025; Sims, 2004; Owusu and Asumadu-Sarkodie, 2016; Kaitouni and Tribiche, 2026），多国当前采用的消费策略并不能真正被视为"可持续的"。在提出的解决方案中，混合可再生能源系统（HRES）脱颖而出。这些混合系统以其提高整体效率、增强可靠性以及通过纳入多种可再生能源技术来平衡供电特征的能力而著称（Kaoud et al., 2026; Giedraityte et al., 2025; Hosseini et al., 2025; Sahab et al., 2026; Gü?ül, 2023; Rehman et al., 2025; Memon et al., 2021; Choi and Bhakta, 2024; Iqbal et al., 2024; Jahangir et al., 2022）。鉴于多种可再生能源设备的成本下降以及天然气价格的上涨，HRES系统日益具有吸引力。它们既可以与本地电网整合，也可以作为独立的微电网为偏远和农村地区服务。在众多将HRES作为地方和国家战略的国家中，摩洛哥最为突出（Ministry of Energy Mines and Environment, 2019）。到2030年，政府目标是在多种可再生能源领域投资超过300亿美元，实现额外的6 GW可再生能力，包括光伏太阳能、风电场和水力发电项目。这些举措旨在实现发电多元化、满足日益增长的需求，并将能源进口依赖度从2018年的97%降至2030年的82%；可再生能源目前已占该国10.6 GW装机容量中的36.8%。

本研究聚焦的达赫拉既是摩洛哥风力最强的地区之一（平均风速≈35 km h?1），也是最阳光充足的地区之一（≈3000 h yr?1）。该地区拥有广阔的平坦地形和良好的道路通达性，有利于大规模部署（El Khchine et al., 2019; Mensour et al., 2019）。此前摩洛哥的相关研究证实了混合构型的技术和经济可行性。Hassani et al. (2021)表明，摩洛哥东部的聚光太阳能（CSP）与光伏（PV）混合化可以提高发电性能并降低LCOE，相对于独立CSP构型。更近期地，El Hassani et al. (2024)评估了利用达赫拉混合可再生能源系统生产绿氢和氢衍生电子燃料的可行性。Anoune et al. (2018)利用TRNSYS为拉巴特某大学校园优化了光伏-风能系统，而Boussetta et al. (2017)则表明，光伏-风能混合系统可以满足4874 kWh月?1的市政负荷，除了风力极低的地区外。Allouhi et al. (2022)分析了用于多层建筑的风能-太阳能槽-氢微电网，强调了净现值成本（NPC）和LCOE对组件价格的敏感性。

可比的国际研究进一步印证了这些发现。Oueslati (2021)利用TRNSYS研究了突尼斯的光伏-风能-燃料电池混合系统，并展示了氢储存提高系统可靠性的潜力。更近期地，El Hassani et al. (2026)证明，可再生能源制氢强烈依赖于当地太阳能和风能资源概况，以及为每个地点选择合适的发电技术。Kharrich et al., 2022a, Kharrich et al., 2022b比较了沙特阿拉伯的光伏/生物质和光伏/风能/柴油/电池微电网，突出了经济与环境性能之间的权衡。其他研究使用HOMER、TRNSYS、MATLAB和多目标优化技术，在不同气候和运行条件下研究了氢能辅助的HRES（El Kihel and Elyamani, 2025; Bastida-Molina et al., 2021; Elkadeem et al., 2021; Hassan et al., 2022; Singh et al., 2017; Hussam et al., 2024; Das and Mandal, 2022; Abo-Elyousr and Elnozahy, 2018; Elfatah et al., 2023; Abdelaal et al., 2022; Kotb et al., 2020; Tawfik et al., 2018; Kushwaha and Bhattacharjee, 2023; Navas et al., 2022; Griffiths et al., 2021; Liu et al., 2021; El-Emam et al., 2022; Wu and Skye, 2021; Duman and Güler, 2018; Rezk et al., 2020; Abdelaal et al., 2022）。更近期地，基于氢的替代HRES架构的比较评估受到了越来越多的关注。Al-Quraan et al. (2025)提出了一个双层级优化框架，用于独立住宅系统的组件尺寸和能源管理的同时优化。同样地，Ermi? et al. (2026)开发了并网光伏-风能-氢能系统的多目标优化方法，以同时降低成本和环境影响。尽管取得了这些进展，确保在可再生能源长期短缺期间的可靠电力供应仍然是一个主要挑战。因此，几项研究证明，将氢燃料电池与可调度的备用发电机结合可以显著改善系统韧性（Mojumder et al., 2024; Bezmalinovic et al., 2013; Braga et al., 2014）。Jahangir et al. (2021)比较了伊朗的柴油、纯氢和混合备用策略，突出了NPC与CO?排放之间的权衡，而Nadimi et al. (2022)表明，对备用发电机施加的最小运行约束可能会显著增加系统总成本。

近期研究已逐步将HRES评估从传统的技术经济优化扩展到同时考虑技术、经济、环境和社会维度的综合框架（Kushwaha et al., 2025; Kushwaha and Bhattacharjee, 2022a, Kushwaha and Bhattacharjee, 2022b）。基于这些发展，HRES研究也已从单一构型的技术可行性演变到比较性尺寸优化、先进能源管理策略以及氢能技术的整合。

如表1所述，近期研究通过改进组件尺寸、调度策略、可再生能源渗透率和系统可靠性，显著推动了混合可再生能源系统的设计和优先进展。然而，大多数经济评估是在固定融资假设下进行的，且主要关注传统的技术经济指标。结构化投资风险缓释对替代性独立光伏-风能-氢能构型经济竞争力的影响仍相对较少被探索，特别是在新兴可再生能源市场中，资本成本在项目可行性中发挥着主要作用（见表1）。

全球气候政策进一步强化了加速向低碳能源系统转型的需求。在2022年埃及举行的COP27上，近200个国家重申了将全球升温限制在1.5°C的承诺，同时加速部署清洁能源技术并减少对化石燃料的依赖（Atwoli et al., 2019; Rosales, 2022）。在摩洛哥，电力和供热部门仍然是国家CO?排放的最大贡献者（图1a–c）。2020年，人均CO?排放达到1.75 t，摩洛哥在全球排名第45位，并随着电力需求的增长而继续增加（Ritchie et al., 2020; Kovacikova et al., 2021; Gil and Bernardo, 2020）。这些趋势进一步凸显了开发可靠且具有经济可行性的可再生能源系统的重要性，以支持该国正在进行的能源转型。

尽管文献显示混合可再生能源系统的设计和优先进展显著，但仍有几个方面尚未得到充分研究。大多数研究在固定财务假设下关注单个系统构型的技术和经济优化。虽然氢能技术越来越多地被纳入HRES设计中，但在相同运行条件下对替代性光伏-风能-氢能构型的比较评估仍然相对有限。此外，融资条件对这些系统经济竞争力的影响也受到了较少的关注，尽管资本成本仍然是摩洛哥等新兴经济体部署可再生能源的主要障碍之一。

基于上述考虑，本研究的新颖之处在于在单一优化框架中结合了替代性光伏-风能资源构型的系统性比较、完整的电转氢再转电链的详细建模以及明确的风险调整技术经济评估。本研究对摩洛哥达赫拉一个代表性住宅区年度电力需求设计的一个独立混合可再生能源系统进行技术经济评估。所提出的系统结合了光伏板、600 kW风力涡轮机、500 kW碱性电解槽配200 bar氢储存、420 kW燃料电池堆和天然气发动机发电机。使用TRNSYS-18进行逐时模拟评估三种替代资源构型：(i) 风能-燃料电池-天然气发电机，(ii) 光伏-风能-燃料电池-天然气发电机和 (iii) 光伏-燃料电池-天然气发电机。优化纳入资本、更换、运营和维护成本，目标是在确保通过可接受的供电损失概率实现可靠电力供应的前提下最小化净现值成本。

除传统的技术经济评估外，所提出的框架还通过比较两种融资情景来明确评估投资条件的影响：未管理风险的基线情景（税后加权平均资本成本WACC = 9.6%）和去风险后情景（WACC = 6.6%），基于UNDP去风险框架，包括标准化购电协议、主权担保、优惠融资、照付不议条款和简化的许可程序。通过量化融资条件对替代性HRES构型中NPC、LCOE和碳减排的影响，所提出的框架为摩洛哥及其他新兴可再生能源市场的基于氢的独立系统提供了全面的风险调整技术经济评估。

本文其余部分组织如下。第2节描述系统组件、数据来源和优化方法。第3节展示两种融资情景下不同构型的技术经济和环境性能。第4节讨论主要发现及其政策含义。最后，第5节总结主要结论并概述未来研究方向。

**章节摘要**

**TRNSYS模拟输入与方法**

本研究采用了TRNSYS-18——一款用于瞬态能源建模的通用模块化软件——来设计和模拟混合可再生能源系统（HRES）。该平台结合了(i)一个计算内核，该内核读取用户定义的输入文件，迭代至收敛并输出时间序列结果，以及(ii)一个包含150多个预定义组件（Types）的库，代表泵、风力涡轮机、电解槽、经济例程、暖通空调设备和新兴技术。用户可以对模型进行适应和优化。

**设计方法和财务绩效优化**

三种候选混合构型的尺寸优化——风能+燃料电池+天然气发动机发电机（WIND-FC-NGG）、光伏+风能+燃料电池+天然气发动机发电机（PV-WIND-FC-NGG）以及光伏+燃料电池+天然气发动机发电机（PV-FC-NGG）——使用在TRNSYS-18中实现的耦合技术经济框架进行。该框架旨在评估三种替代混合可再生能源系统构型的技术经济性能。

**情景定义**

为评估技术经济权衡，使用相同的小时负荷曲线和相同的组件模型模拟了三种独立混合构型（图9）。
• S1：风能-燃料电池-天然气发动机发电机（Wind–FC–NGG）
• S2：光伏-风能-燃料电池-天然气发动机发电机（PV–Wind–FC–NGG）
• S3：光伏-燃料电池-天然气发动机发电机（PV–FC–NGG）

每种构型将发电和储存组件连接到750 V直流母线。多余电力驱动一台500 kW碱性电解槽。

**技术经济与去风险评估**

本节从度电成本、现金流和碳减排的角度评估三种候选布局——S1（Wind–FC–NGG）、S2（PV–Wind–FC–NGG）和S3（PV–FC–NGG），并量化有针对性的公共去风险工具包如何改变这些指标。

图14展示了随着发电组合从风能构型（S1）转向双资源构型（S2），再转向光伏构型（S3），组件级成本结构的变化。在S1中……

**去风险模型背景**

摩洛哥的可再生能源投资环境仍然受到与电力市场法规、许可、电网接入、交易对手风险、项目开发及宏观经济条件相关的融资风险的影响。在基线融资情景中，假设所需股本回报率为17%，而商业债务成本为8%。由于可再生能源和氢能系统资本密集，其经济性能对这些因素尤为敏感。

**结论**

本研究表明，一个自主的、氢缓冲的混合可再生能源系统能够可靠地供应达赫拉新建住宅区的年度电力需求，同时与传统化石燃料发电相比，大幅降低电力成本和温室气体排放。基于TRNSYS-18的逐时模拟将十年的站点特异性太阳能和风能数据与500 kW碱性电解槽在出口压力下的详细组件模型相结合……

**CRediT作者贡献声明**

Sara El Hassani：原创稿件撰写、软件、项目管理、方法论、调查、形式分析、概念化。Fakher Oueslati：验证、资源、调查、数据管理。Firyal Latrache：形式分析、概念化。Othmane Horma：形式分析、数据管理、概念化。Mohammed Benzaouia：验证、方法论、调查、概念化。

Mohammed Amine Moussaoui：写作 – 审阅与编辑、调查、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本文所报告的工作。
Sara El Hassani | Fakher Oueslati | Firyal Latrache | Othmane Horma | Mohammed Benzaouia | Mohammed Amine Moussaoui