巴布-埃尔-曼德布地区具有重要的战略地位，本文对该地区可再生能源发展路径及绿氢生产的Techno-economic（技术和经济）分析进行了探讨

《International Journal of Hydrogen Energy》：Techno-economic analysis of renewable energy pathways and green hydrogen production in the strategically positioned Bab-el-Mandeb region

　　摘要
本文开展了一项技术经济分析，旨在确定从太阳能、风能和混合替代发电厂中最优地生产可持续氢气，以供应吉布提Bab-el-Mandeb地区Khor Angar农村地区的电力。本研究追求两个相互独立但互补的目标：（1）使用HOMER Pro软件对仅依赖风能、仅依赖光伏能源以及光伏-风能混合配置的绿色氢气生产进行初步的技术经济评估，评估其平准化运营成本（LCOE）、平准化资本成本（LCOH）和净现值成本（NPC）；（2）对Khor Angar农村地区的剩余可再生能源电力潜力进行评估，并探讨通过Bab-el-Mandeb海上通道出口氢气的机会。研究公正地比较了在不同情景下生产的绿色氢气数量和氢气平准化成本（LCOH），这些情景包括风力涡轮机、太阳能光伏板和混合能源系统，并利用Homer Pro软件实现了预期的最低净现值成本（NPC）。此外，本文还为可再生能源投资的利益相关者提供了关键见解，揭示了满足农村和城市地区能源需求并促进向零碳和/或低碳能源系统转型的积极途径。结果分析显示，在能源混合脱碳系统中，最低的LCOE、LCOH和NPC分别为0.035美元/千瓦时、4.31美元/千克和225万美元。得益于Khor Angar的沿海地理位置，生产的多余氢气可以通过海上和铁路运输方式供应给使用红海进行航运的发达国家。

引言
可再生能源（RE）是实现可持续和环保电力生产的基本要素。许多国家面临的挑战是提供足够的能源以满足需求并减少二氧化碳排放。非洲因其丰富的太阳能（每年6000太瓦时）、风能（平均风速超过6-7米/秒，潜力约为110吉瓦，特别是在非洲之角地区）、水力发电（1750吉瓦）和地热能（尤其是东非裂谷系统中的15000兆瓦）资源而被认为具有最高的潜力。最近，大多数研究都在探索集成氢气储存的稳定和最优混合系统。然而，由于光伏/风力涡轮机（PV/Wind）系统和燃料电池（FC）的多样性及持久性，其实施变得复杂。从这些系统中生产氢气还需要解决额外的复杂挑战。根据科学和财务可行性，在不同地理位置和气候条件下必须准确验证混合方式的可行性。图1展示了非洲的太阳能和风能潜力及装机容量。在非洲国家，太阳能资源为通过水电解生产绿色氢气提供了有希望的途径。尽管这一过程需要水，但它也能促进水管理基础设施（如海水淡化厂）的投资，从而支持能源和水资源的需求。因此，这为将多余的氢气出口到其他大陆以促进经济增长提供了机会。

氢气生产的最新进展强调了根据风速、风向、预计的全球辐射和温度来优化太阳能或风能技术的重要性，通过使用独立的电解装置来降低系统成本。此外，不同学者评估了多种因素（如电解槽的退化、风力涡轮机的影响或光伏板尺寸）对经济风险的影响。一些研究评估了电力平准化成本（LCOE）和氢气平准化成本（LCOH），以找到价格合理的环保氢气生产替代方案。Jahangiri等人[18]使用NASA卫星数据和HOMER软件对乍得25个城镇的氢气生产进行了技术经济研究，评估了结合氢气储存设施的联合光伏/风能网络的潜力。研究发现Aouzou站的LCOE和LCOH最低，分别为0.50美元/千瓦时和4.69美元/千克，年排放量最少为1109千克[18]。Hasan和Gen?[19]对伊拉克Wasit、Basrah和Anbar地区的太阳能/风能联合电网下的氢气生产进行了经济分析。该系统包括不同容量的风力涡轮机以及两种太阳能板（Panasonic-330W和Kyocera-315W）和四个电解单元。作者得出结论，Basra的LCOH和LCOH分别为8.7美元/千克和0.34美元/千瓦时。Al-Orabi[20]评估了氢气的可持续生产，研究了电力短缺和氢气负荷波动的影响。在埃及Damietta现场，研究表明，PV/Wind情景的LCOE和LCOH分别为0.42美元/千瓦时和4.42美元/千克，氢气负荷为140千克/天，产能短缺30%。仅使用风能的情景实现了最低的净现值成本，而PV/Wind情景则在氢气需求不同情况下产生了最高的成本。Salameh等人[21]在沙特阿拉伯Neom城市研究了多种混合系统用于电力生产和氢气需求。根据技术经济和社会分析，他们发现PV、柴油发电机和电池储能组合方案是最优的。Faker Oueslati使用Homer模拟研究了在法国二十个城市安装自主氢气加注站的情况[22]。优化结果显示，LCOE范围为0.35至0.43美元/千瓦时，LCOH在所有二十个城市间变化介于13.5至16.5美元/千克之间。PV-Wind-Battery和Wind-Battery系统的平均净现值成本分别为150万美元和250万美元，其中PV-Battery情景的净现值成本最低，为103万美元[22]。Achour等人[23]对使用多种太阳能设备（特别是p-Si、a-Si和m-Si系统）生产氢气进行了技术经济分析。p-Si的LCOE和LCOH最低，显示出最佳的经济性能，分别为0.021美元/千瓦时和3.59美元/千克。此外，增加光伏发电量可能会降低LCOH[23]。De la Cruz-Soto等人[24]表明，在先进情景下，光伏价格最具竞争力用于生产可再生氢气。然而，在涉及风能、太阳能和海水淡化的保守情景中，风能变得越来越有利可图。向电网出口电力的LCOH可从57%降至26%。预计到2040年，LCOH将降低50%，降至每千克2至3美元。在Salina Cruz和Salamanca，LCOH分别可降至4.5美元/千克和4.2美元/千克。Laila等人[25]计算出LCOH的变化范围为4.19至8.66美元/千克，不同地点的LCOH在2.12至4.65美元/千克之间。LCOH的空间差异受特定地点技术和经济参数的影响。敏感性分析表明，电解效率及其折现率显著影响氢气生产成本。Al-Mahmodi[26]计算了风能和光伏系统的LCOE以及电解槽的运行寿命。具有净计量的光伏系统被认为是最佳解决方案，LCOH为每千克3.79美元。敏感性研究表明，LCOE和电解成本是主要影响因素，可能使LCOH降至1美元/千克以下[26]。Muhieitheen等人[27]使用HOMER对混合可再生能源配置及电池为海水淡化厂供电进行了社会经济分析。水的平准化成本（LCOW）在每立方米2.15至2.27美元之间，是文献中记录的最低成本。混合光伏和风能的协同效应抵消了单一能源的不确定性，大大减少了所需的储能系统，从而降低了LCOH。混合模型由于供需之间的常规差异产生了多余的清洁电力，每年可生产约3154.7吨氢气，LCOH为1.05美元/千克。Pompodakis[28]研究了希腊克里特岛上氢气运输的障碍，提出了通过净计量策略降低加油站汽油成本的方案。净计量可将克里特岛的LCOH降至2.5欧元/千克。当LCOH低于3欧元/千克时，氢动力运输在经济上比柴油车更具竞争力，这解决了沙特阿拉伯及其他国家对氢气日益增长的需求。Kanti等人[29]采用元启发式策略和HOMER PRO模拟进行优化，光伏电池阵列的净现值成本最低，为888833美元，LCOH为0.29美元/千瓦时，是成本效益最高的电力生产方式，但由于电力过剩54%，在可再生能源利用效率上较低。因此，光伏/燃料电池/电解槽/氢气储存系统通过集成生产和储存实现了平衡解决方案，尽管NPC较高但LCOH最低。优化方法（特别是CSA）通过优化组件尺寸和交互作用，使NPC降低了超过20%，LCOH降低了12%。敏感性分析表明，燃料电池和电解槽资本成本降低50%可导致NPC降低78.64%，LCOH和LCOH分别降低45.46%和4.08%。Al Dawsari等人[30]在沙特阿拉伯Najran有效构建了包含风力涡轮机（WT）、光伏（PV）、电池储能系统（BESS）和柴油发电机（DG）的智能电网方案，使用Dwarf Mongoose优化算法（DMOA）、Whale优化算法（WOA）和Salp Swarm算法（SSA）降低了LCOE并提高了整体可靠性。PV/BESS方案的LCOE约为0.038美元/千瓦时，但在可靠性方面存在不足。Jaman等人[31]使用非支配进化算法（NSGA-II）最大化了包括太阳能电池、风车、生物能源引擎、燃料电池和电解氢储存在内的可再生能源组合，最佳配置的电力价格为0.163美元/千瓦时，环境影响为0.00098。建议的框架的碳排放为每年1856美元，生命周期排放为123.73吨CO2当量，项目生命周期内创造30个工作岗位。该组合系统不仅调节固体废物管理解决方案，还产生可持续能源并为汽车充电。因此，选择合适的地点以及最佳的光伏/风能组合以生产氢气对于进行社会经济分析至关重要。评估替代氢气生产项目的可能性时，需要考虑主要组件的尺寸，包括碱性电解槽、太阳能阵列、风力发电机以及AC/DC或DC/DC转换器。这项研究是在吉布提北部Khor Angar地区首次开展的研究，通过以下方式考察氢气的生产：光伏、风能、混合组合，并利用NASA卫星数据。研究旨在实现两个相互补充的目标：（1）对来自可再生能源的绿色氢气生产进行初步的技术经济评估，通过HOMER Pro软件从LCOE、LCOH和NPC三个方面优化三种系统配置（仅风能、仅光伏和光伏-风能混合）；（2）评估多余的清洁能源为偏远农村地区供电的潜力，同时通过战略性的巴布埃尔曼德海峡（Bab-el-Mandeb）海上通道实现氢气出口。这两个目标涉及不同的假设、调度优先级和成本结构，在本文的方法论和结果部分对此有明确的区分。

所选的Khor Angar地点（如图2(a)–(b)所示）具有极佳的风能和太阳能条件，风速可达8.7米/秒，年太阳辐射量为6.19千瓦时/平方米。尽管该地区太阳辐射充足且风速适宜，但当地缺乏太阳能产业。在Ghoubet建设的60兆瓦风力发电项目增强了吉布提的电力供应能力。图2清楚地表明Khor Angar具备了发电和生产绿色氢气的潜力。鉴于Khor Angar地处海滨，靠近巴布埃尔曼德海峡入口，并享有独特的气候条件，使用适当的可再生能源技术对其风能潜力进行评估具有战略意义。这一地理位置还提供了生产和出口过剩低碳绿色氢气的机会，可用于海运和铁路运输行业，或供应国际市场（尤其是发达国家市场）。未来的研究应重点实施试点项目，以评估所提出的混合系统在农村电气化方面的实际性能和成本效益。此外，还应纳入全面的敏感性分析、环境影响评估、二氧化碳减排估算以及潜在的碳信用收益，以确保项目的技术和经济可行性。

该框架指出，氢气的生产及其成本将最终完成可行性评估，使其符合可持续发展目标，特别是可持续发展目标7（负担得起的清洁能源）和13（气候行动），如图3所示。本研究分析了与风能发电及可持续氢气生产相关的经济问题。这种方法可以评估新兴经济体中替代能源来源（包括绿色氢气生产）的经济可持续性，帮助规划者和立法者制定成功的风能发电和可持续氢气项目计划。本研究填补了伯布埃尔曼德地区（特别是吉布提）在绿色氢气生产技术经济学方面的研究空白。尽管已有许多研究探讨了非洲多个国家（如乍得和沙特阿拉伯[21]、埃及[12]）的氢气生产情况，但目前尚无研究专门评估Khor Angar的独特优势——其太阳辐射量高达6.19千瓦时/平方米/天，风速可达8.7米/秒，并且位于巴布埃尔曼德海峡的战略要地。本研究通过以下方式填补了这一空白：（i）首次对Khor Angar的绿色氢生产进行全面的技术经济评估；（ii）利用NASA卫星数据和HOMER软件对比了三种不同的系统配置（仅风能、仅光伏以及光伏-风能组合）；（iii）评估通过海上通道运输氢气的战略重要性；（iv）推动吉布提的可持续发展目标（目标7和13）。本研究的新颖之处在于它结合了优越的太阳能和风能资源以及战略性的海上位置，为其他希望利用可再生能源实现国内能源安全和出口机会的发展中国家提供了借鉴。

**案例研究：吉布提Khor Angar**
Khor Angar位于吉布提北部Obock地区，坐标为北纬12°23′12″、东经43°20′5″，属于炎热沙漠气候区。气象条件是影响可持续能源发电量的关键因素。太阳辐射、气温、风速等测量数据受当地大气条件的影响，这些因素决定了在Khor Angar建设可行的太阳能发电厂的可行性。
**风能、光伏和混合配置下的电力与氢气平准化成本比较评估**
以下小节利用Homer软件对Khor Angar的方案进行了分析和评估，研究了三种生成绿色氢气的经济性最高的方法。三种方案分别为：方案1仅使用风力发电机；方案2采用传统光伏系统；方案3结合风能和光伏系统。计算结果显示，仅使用风能的方案总成本为246万美元。

**结论与建议**
本研究评估了Khor Angar利用可再生能源生产绿色氢气的经济可行性及其为农村地区供电的能力。对吉布提农村地区来说，获得电力仍然是一个挑战。因此，需要寻找替代方法来减少对化石燃料的依赖。通过优化可再生能源系统的供电，本研究比较了三种配置：太阳能、风能和光伏-风能混合系统。

**作者贡献声明**
Abdoulkader Ibrahim Idriss：负责撰稿、审稿与编辑、原始稿撰写、可视化呈现、验证、方法论设计、研究实施、资金获取、数据整理及概念构建。
Abdoulhamid Awalo Mohamed：负责撰稿、原始稿撰写、可视化呈现、方法论设计、研究实施、数据整理及概念构建、审稿与编辑。
Haitham S. Ramadan：负责撰稿、审稿与编辑、原始稿撰写、验证、研究监督、方法论设计、正式分析及数据分析。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的其他财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**作者信息**
Abdoulkader Ibrahim Idriss
Abdoulhamid Awalo Mohamed
Haitham S. Ramadan
吉布提大学工程学院电气与能源工程系，1904，吉布提