《Journal of Engineering Research》：Excess energy minimization of off-grid hybrid renewable energy system based on hydrogen storage: A two-stage optimization for Enggano Island
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全球能源消耗在2024年已达到创纪录的592艾焦耳，电力需求激增4.3%，超过30,000太瓦时。由于超过80%的一次能源仍通过化石燃料燃烧产生，能源部门仍然是全球温室气体排放的主要来源。针对偏远岛屿社区，离网混合可再生能源系统（HRES）虽具有显著的环境效益
全球能源消耗在2024年已达到创纪录的592艾焦耳，电力需求激增4.3%，超过30,000太瓦时。由于超过80%的一次能源仍通过化石燃料燃烧产生，能源部门仍然是全球温室气体排放的主要来源。针对偏远岛屿社区，离网混合可再生能源系统（HRES）虽具有显著的环境效益，但其固有的间歇性导致了大量剩余能量的浪费，严重削弱了系统的经济可行性。为弥补这一缺陷，本研究提出了一种基于氢储能的两阶段优化方法，以印度尼西亚恩加诺岛为案例。第一阶段利用HOMER Pro软件进行长期容量规划，确定引入电力转燃气转电力（P2G2P）基础设施前后的最优系统配置；第二阶段在Python环境中实现基于混合整数线性规划（MILP）的动态调度策略，以小时为分辨率优化能量流动，最大限度地通过电解槽回收剩余能量，并严格限制柴油发电机的运行。研究结果表明，MILP优化策略将剩余能量从基线方案的399,747 kWh/年（26.4%）大幅削减至39,085 kWh/年（3.67%），削减幅度高达90.2%；柴油发电量较基线减少37.26%，年碳排放量降至仅91.96吨。尽管P2G2P基础设施的集成增加了初始资本支出，但燃料成本的急剧降低使最优财务平准化能源成本（LCOE）降至0.3090美元/kWh。进一步引入社会碳成本（SCC）后，货币化的环境效益将最终的社会-环境LCOE推低至极具竞争力的0.2572美元/kWh。本研究证实，先进的两阶段优化框架结合氢储能基础设施，为偏远群岛社区提供了一条可靠且财务可持续的脱碳路径。
### 论文解读
全球能源需求持续攀升，2024年全球一次能源消耗已达592艾焦耳，其中超过80%仍依赖化石燃料燃烧，导致能源相关CO?排放攀升至376亿吨，成为环境恶化的关键驱动力。在此背景下，可再生能源装机容量在2024年实现了50%的显著增长，达到约4448吉瓦。然而，以太阳能光伏和风电为代表的可再生能源系统固有的间歇性，使其难以提供传统电站所具有的持续、负荷跟踪式稳定性。对于印度尼西亚等群岛国家的偏远岛屿社区而言，由于国家电网覆盖不足，这些地区长期依赖柴油发电机供电，不仅运行维护成本高昂，而且产生了大量碳排放。尽管混合可再生能源系统（HRES）为该类区域提供了清洁、经济的供电途径，但可再生能源的高渗透率导致系统在满足负荷且储能饱和后产生大量剩余能量，这些能量被白白浪费，严重削弱了系统的经济可行性。绿氢作为一种重要的能量载体和存储介质，能够将原本废弃的剩余能量通过电解水转化为氢气进行存储，并在负荷高峰时段通过燃料电池重新发电，从而实现电力转燃气转电力（P2G2P）的长时储能循环。然而，现有研究在离网系统中应用P2G2P框架时，普遍依赖商业软件内置的通用规则型调度策略（如负荷跟踪或循环充电），这些策略在管理功率流动时缺乏精确性，常常导致严重的系统效率低下问题。为克服上述局限，本研究以印度尼西亚恩加诺岛为案例，提出了一种集成氢储能的两阶段优化方法，旨在最大限度减少剩余能量浪费并降低平准化能源成本（LCOE）。该研究成果发表于《Journal of Engineering Research》。
研究人员采用了一种两阶段协同优化框架。第一阶段基于HOMER Pro软件进行长期容量规划，通过两次顺序仿真确定最优系统配置：首次仿真在不集成氢储能的条件下建立基线配置，量化因电池容量有限而废弃的剩余能量比例；第二次仿真在保持发电组件容量不变的前提下，集成P2G2P基础设施，确定电解槽、氢罐和燃料电池的最优容量。第二阶段在Python环境中构建混合整数线性规划（MILP）算法，以第一阶段的容量结果为输入，在8760小时的一年周期内以小时为分辨率求解机组组合和经济负荷分配问题。MILP模型通过严格约束柴油发电机的运行时段、显式计入电解槽的部分负荷效率，并施加人工罚函数以抑制剩余能量的废弃和负荷缺电，实现了系统运行调度的数学最优。研究案例基于印度尼西亚恩加诺岛，气象输入数据来源于NASA POWER数据库，负荷曲线在基线负荷上施加了5%的日波动和2%的时步变化。
研究结果显示，在长期容量优化阶段，基线HRES配置（不含氢气）虽实现了100%的供电可靠性，但产生了高达399,747 kWh/年（26.4%）的剩余能量，LCOE为0.3529美元/kWh。该配置下柴油发电量达451,241 kWh/年，占总发电量的29.8%，表明系统处于高度保守的运行状态，未能充分发挥可再生能源的潜力。集成P2G2P基础设施后，HOMER Pro的默认调度策略将剩余能量削减至178,322 kWh/年（11.7%），柴油输出降至377,176 kWh/年（24.77%），但因新增氢组件的资本支出及软件调度策略的刚性，LCOE上升至0.3711美元/kWh。氢罐日均荷电状态（SOC）分析显示，HOMER Pro的调度未能实现长期储能，SOC在全年大部分时间低于10%，产出的氢气几乎当月即被消耗，系统实质上仅作为短期缓冲运行。
在MILP调度优化阶段，该算法展现出显著的调度优越性。以2025年11月1日的典型日调度对比为例，HOMER Pro在早晚负荷缺额时段倾向于立即并大量触发柴油发电机，而MILP算法通过优先调度电池放电并与燃料电池协同运行，智能地限制了柴油机的运行时长。全年运行结果显示，MILP将柴油总发电量压制至283,128.28 kWh/年，较基线减少37.26%，仅占总发电量的20.24%。相应地，剩余能量进一步削减至39,085 kWh/年（3.67%），较基线降低90.2%。氢罐SOC动态显示，MILP策略主动存储剩余可再生能源，SOC频繁达到60%至接近100%的水平，确保能量在负荷缺额时段得到最优再分配。月度质量平衡进一步证实，MILP严格防止电解槽和燃料电池闲置，通过积极将多余可再生能源转移至氢储能以维持电网独立运行。
在环境影响评估方面，基线和P2G2P-HOMER阶段下的柴油消耗量分别为142,206 L/年和119,631 L/年，对应的碳排放量分别为371,951 kg和312,906 kg。而MILP优化策略将柴油年消耗量骤降至35,159.82 L，年碳排放量仅为91,963 kg，较基线降低75.2%，较未优化的P2G2P系统降低70.6%，充分证明了先进运行优化框架对实现氢储能系统全部环境潜力的必要性。
在社会碳成本（SCC）与经济性分析中，以100%柴油基准系统的年排放899.6吨CO?为参照，MILP优化方案因避免807.64吨CO?排放而获得每年56,534.80美元的环境经济效益。此环境补贴作为虚拟运营收益直接抵扣系统年化成本，使财务LCOE（0.3090美元/kWh）进一步降至社会-环境LCOE 0.2572美元/kWh。投资回收期（PBTM）分析显示，MILP方案凭借更高的年财务节省（181,589.77美元/年）将纯财务PBTM降至16.24年，而计入环境收益后进一步缩短至12.38年，远优于基线的24.16年（财务）和17.40年（社会-环境）。
燃料价格敏感性分析进一步验证了MILP方案的稳健性。在柴油价格从0.78美元/L上涨至1.50美元/L的最坏情景下，基线系统的LCOE从0.3529美元/kWh暴涨25.1%至0.4414美元/kWh，未优化的P2G2P系统升至0.4517美元/kWh（+21.7%），而MILP方案仅温和增长7.5%，将LCOE控制在0.3322美元/kWh。这表明MILP框架通过严格限制柴油运行时间和动态最大化氢储能循环利用，有效解耦了微电网经济性与全球燃料市场波动之间的关联。
研究人员最终得出结论：将基于HOMER Pro的长期容量规划与基于MILP的短期运行调度相结合的两阶段优化方法，显著解决了传统离网系统的运行低效问题。基线电池-only配置虽实现100%可靠性，但产生26.40%的剩余能量和29.8%的柴油发电占比。第一阶段集成P2G2P后，HOMER Pro调度将剩余能量降至11.70%，但因额外资本成本和刚性调度规则使财务LCOE上升至0.3711美元/kWh。第二阶段MILP算法通过显式求解机组组合和经济负荷分配问题，将剩余能量压制至3.67%（较基线削减90.2%），柴油发电量削减37.26%，年碳排放降至91.96吨，净现值成本（NPC）降至5,682,436.87美元，财务LCOE降至0.3090美元/kWh。结合SCC评估的环境补贴后，社会-环境LCOE进一步降至0.2572美元/kWh。本研究为偏远群岛社区提供了一种可靠且财务可持续的脱碳蓝图，并指出未来可探索将本地生物质和废弃物能源回收纳入系统，以完全消除化石燃料依赖并建立全循环可持续微电网。
