面向多种能源场景下经济可行性与环境可持续性平衡的电解低碳制氢多目标优化

《International Journal of Hydrogen Energy》：Multi-objective optimization of low-carbon hydrogen production via electrolysis balancing economic viability and environmental sustainability across diverse energy scenarios

　　

摘要

可再生能源的间歇性限制了其为碱性水电解供能的能力，这既影响运行稳定性，也影响制氢成本。本研究建立了一个多目标优化框架，在保证以基荷电力满足电解槽最小部分负荷要求的条件下，最小化氢的平准化成本（LCOH）和碳排放强度。研究在20%最小部分负荷下，光伏（PV）实现了最低LCOH（4.56–5.08 USD/kg-H₂），但碳强度最高（≤9.03 kg-CO₂/kg-H₂）；风电（WT）降低了排放（7.87 kg-CO₂/kg-H₂），但成本约高出40%。将MPL从30%放宽至10%，可将单一能源系统的碳强度降低53–71%，但LCOH增加26–35%。混合系统则同时改善两个目标，将LCOH从6.04降至5.20 USD/kg-H₂，碳强度从5.67降至5.44 kg-CO₂/kg-H₂，在2050年情景下达到3.39 kg-CO₂/kg-H₂。

引言

氢气作为一种清洁能源载体备受关注，因其温室气体排放低且可从多种原料生产[1]。氢气燃烧后仅排放水，在脱碳过程中发挥着关键作用[2]。然而，目前大部分氢气通过蒸汽甲烷重整（SMR）生产，通常被称为"灰氢"，其碳排放强度（CEI）较高[3]。因此，向利用可再生能源生产绿氢转变至关重要。在各种生产路径中，水电解技术在利用可再生电力时可实现无碳制氢，是一种有前景的技术[4]。主要电解技术包括碱性水电解（AWE）、质子交换膜（PEM）电解和固体氧化物电解池（SOECs）[5]。

AWE是一种成熟的水电解技术，利用碱性电解质生产氢气[6]。由于使用低成本材料且在相对较低温度下运行，AWE被认为是最成熟的技术选项[6]。这些特点使其能够实现稳定的长期运行，适合大规模应用[[7], [8], [9]]。然而，AWE存在一些固有局限性。该技术运行电流密度相对较低，需要较大的系统规模才能达到相同的制氢量[10,11]。此外，AWE的最小部分负荷（MPL）约为10–40%，因为在低负荷下，氢气通过隔膜扩散可能导致可燃气体混合物的形成[12,13]。在低电流密度下，气体交叉问题日益严重，当氧气流中氢气浓度超过4 vol%时，可能形成爆炸性环境[14]。这一限制在耦合可再生能源时构成重大挑战。如果MPL不满足，可能出现气体交叉和安全问题，需要频繁启停运行[15]。频繁的启停运行会加速电解槽退化，降低制氢效率，并增加有效的氢平准化成本（LCOH）[16]。此外，AWE的负荷响应特性较慢，限制了其对波动功率输入的适应能力[17]。一个典型例子是中国库车的一个260 MW电解装置，由于可再生能源电力不足，不得不关闭部分电解槽以维持安全运行[18]。该案例表明，间歇性供电与MPL约束之间的相互作用构成了商业化规模AWE系统稳定运行的主要限制。因此，需要进一步研究来解决与可再生能源系统（RESs）相关的固有变异性与不确定性。

为应对这些挑战，储能系统（ESSs）和电网电力被提出作为解决方案[19,20]。集成电池等储能系统可以缓冲可再生能源的波动，减少AWE启停循环的频率[21]。然而，它们需要较高的资本和运营成本[22,23]。此前一项以电池容量为设计变量的多目标优化研究结果表明，成本最优方案并未包含电池储能[19]。虽然使用电池通过提高电解槽容量因子增加了制氢量，但也使LCOH从3.0增至8.9 USD/kg-H₂。此外，结合储能的离网系统可能需要额外投资以维持稳定供电。AWE离网配置中结合电池和储氢系统的LCOH为3.38–4.58 USD/kg-H₂，比并网配置的2.65–3.40 USD/kg-H₂高出27–35%[24]。储氢也适用于长期储能，但在一个集成系统中占总LCOH（7.25 USD/kg-H₂）的0.93 USD/kg-H₂[25]。

另一方面，电网电力虽然能实现连续运行，但由于包含化石燃料发电，会增加温室气体排放[26]。其他提高灵活性的选择涉及固有的技术和经济权衡。放大可再生能源装机容量可能具有成本效益，因为可以提高高发电时段的可再生电力利用率[27]。然而，其应对可再生能源长期低输出问题的能力有限。相反，灵活关停个别电解池可以减少额外设备需求，但会增加启停循环频率[18]，可能加速电解池退化。当考虑开关循环相关的退化时，LCOH从8.8增至9.8 USD/kg-H₂，而电解池更换间隔从6.5年缩短至4.9年[16]。因此，这些方法并不能在保证电解槽持续运行在MPL阈值以上的同时，有效限制补充电力的CEI。因此，本研究开发了一种新策略来应对上述限制，并推动基于RES的AWE系统的商业化。该策略利用基荷电力维持MPL，无需额外储能设备即可减少频繁启停运行。然后优化基荷组成以平衡系统成本和CEI。为验证所提方法，建立并应用了一个同时考虑经济和环境性能的多目标优化框架。

通过该框架，定量分析了包括配置方式、RES容量和基荷电力比例在内的关键设计变量对整体系统性能的影响。此外，针对MPL和关键经济参数进行了敏感性分析。基于这些分析，阐明了关键设计变量与系统性能之间的定量关系，并识别了平衡经济与环境性能的权衡结构。最终，本研究旨在缓解可再生能源间歇性带来的挑战，并为基于RES的AWE系统的优化设计和运行提供见解。据此，本研究围绕以下研究问题展开：

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  可再生能源配置（仅光伏、仅风电和混合）及装机容量如何决定制氢成本与碳排放强度之间的权衡？
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  满足MPL所需的基荷电力组成在Pareto最优前沿上如何变化，并在多大程度上支配成本-排放权衡？
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  系统性能和最优设计变量如何随MPL、发电结构、效率提升和关键经济参数的变化而变化，以及在什么条件下可以实现4 kg-CO₂/kg-H₂的低碳氢阈值？

在回答这些问题的过程中，本研究将维持MPL所需的电力作为可优化的设计变量而非固定的备用供应，并从经济和生命周期环境两个角度进行评估。通过联合优化基荷组成和可再生能源容量，结果表明基荷电力的碳强度对成本-排放权衡的影响力与可再生能源容量本身同样强烈。此外，MPL被证明是一个设计与运行决策变量而非固定的技术约束。在此基础上，4 kg-CO₂/kg-H₂的低碳氢阈值仅通过可再生能源互补性、基荷电力脱碳和预期效率提升的综合作用才能实现，单一措施不足以达标。图1展示了低碳氢供应链和本研究的系统边界。

章节摘要

方法

本研究开发了一个基于RES的AWE系统，并通过同时考虑系统的经济和环境性能进行多目标优化。基于RES的AWE系统包括风电（WT）系统、光伏（PV）系统和AWE。本研究的基于RES的AWE系统模型在Microsoft Excel中作为电子表格工具实现，其中使用逐时气象数据作为输入模拟年度运行。

数据输入与情景

本研究考虑了三种RES配置：仅风电、仅光伏以及风电与光伏混合。风电系统基于韩国朱崖岛的年度风速数据开发，而光伏系统基于韩国全罗南道康津的年度太阳辐照和环境温度数据开发[40]。由于风和太阳能资源数据来自不同地点，混合配置被视为

结论

本研究提出了一种使用基荷电力维持可再生能源驱动AWE系统MPL的运行策略，以支持稳定的制氢生产。建立了以LCOH和CEI为竞争性目标函数的多目标优化框架。结果证实了PV、WT和混合RES配置之间明确的经济-环境权衡。仅光伏系统实现了最低的制氢成本，而仅风电系统

作者贡献声明

Young Wook Ryu：撰写——初稿、可视化、软件、资源、方法论、数据整理、概念化。Hana Kim：验证。Wangyun Won：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。Joungho Park：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、经费获取、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国能源研究院研发项目（C6-2417-61和C6-2402-07）的资助。

Young Wook Ryu|Hana Kim|Wangyun Won|Joungho Park

能源人工智能与计算科学实验室，韩国能源研究院，韩国大田市友盛区加平路152号，34129，大韩民国