人工神经网络辅助的地热部分蒸发有机朗肯循环驱动绿氢生产系统多目标优化与技术经济分析

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：ANN-assisted Multi-Objective optimization and Techno-Economic analysis of a Geothermal-Based Partial evaporation ORC-Driven green hydrogen production system

　　

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  提出了一种地热驱动PEORC-PEME系统用于绿氢生产。
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  在相同约束条件下分别对PEORC、ORC和TLC进行了优化。
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  PEORC（k = 0.05）实现了最高的TOPSIS氢产量，为44.35 kg/h。
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  在所研究案例中，ORC实现了最低的制氢成本（LCOH），为2.819美元/kg。
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  在基准条件下，2030年的绿氢成本目标是可以实现的。

引言

与具有间歇性运行特点的太阳能和风能不同，地热能源凭借其持续供能能力和低温室气体排放的特点，被认为是氢气生产的一种有前景的来源[1], [2]。这种热源储存于地壳的不同深度中，其可用性取决于温度水平和地质条件[3]。当达到足够高的温度时，地热能可用于氢生产[4], [5]。在这方面，已有几项综述研究探讨了地热能用于氢生产的潜力[6], [7], [8]。

利用地热能源生产氢气是可行的，可以通过利用该热源产生的热能和/或电能来实现。热能可直接用于热化学循环，如硫-碘循环和铜-氯循环，而生成的电能则可通过电解来利用，即利用电能将水分子分解为氢气（H₂）和氧气（O₂）[9]。电解所需的电能通常通过热力学动力循环来供应。虽然可以利用Kalina循环、Goswami循环、闪蒸汽循环和热电发电机等技术从低温热源（如地热能）发电，但在科学研究和工业应用中广泛使用的技术是ORC[10]。ORC中所用有机工质的特征性质（如低临界温度和低的正常沸点）能够与地热热源实现更好的热量-温度匹配，从而减少?损失并实现更高效率的发电[11]。

近期的研究也聚焦于用于制氢和多产品生产的一体化可再生能源系统。一项研究利用热力学、技术经济、环境和多目标优化分析方法，考察了基于沼气的多联产系统，该系统集成了热化学制氢和ORC，结果显示其在制氢和发电方面具有令人满意的表现[12]。类似地，一项由太阳能和生物质辅助的混合系统，将电解与固体氧化物燃料电池及其他燃料生产单元相结合，优化后其热力学、经济和环境性能均有所改善[13]。在另一项研究中，提出了一种光伏发电-热能、PEME、气化、固体氧化物燃料电池、Rankine循环混合系统用于可再生能源制氢和发电，多目标优化显著提升了系统性能[14]。这些研究展示了人们对一体化可再生制氢系统的兴趣日益增长，以及使用多目标优化方法来提升其性能的趋势。

此外，文献中还报道了大量关于基于地热的ORC驱动制氢系统的研究。主要研究及其系统配置、方法和关键发现汇总在表1中。如表所示，由于PEME能够生产高纯度氢气、具有快速动态响应特性且与可再生能源具有兼容性，因此在制氢领域被广泛采用[15]。

目前所综述的文献表明，通过地热驱动的ORC-PEME一体化系统可以利用地热能生产氢气。然而，在所研究的大多数地热驱动ORC系统中，工质以饱和蒸汽和/或过热蒸汽的形式进入膨胀机。这一条件限制了地热热源的有效利用。换言之，当夹点温差未出现在热源离开循环的位置时，热源的有效利用仍然受到限制[26], [27]。提高热源利用率的另一种方式是利用TLC或三角闪蒸循环来发电。在TLC中，工质被加热至接近饱和液区并在两相膨胀机中膨胀[28]。这种方法会导致工质质量流量的增加，热源与工质之间的温度分布实现更好的匹配，从而减少?损失。例如，根据Fischer的研究，与常规ORC相比，TLC的?效率高14%–29%[29]。然而，由于TLC在膨胀过程中涉及大量液滴，这些液滴可能导致膨胀机产生严重的冲蚀和磨损。

结合ORC和TLC热力学优势的一种可行方法是在蒸发器中部分汽化工质。在这种方案中，工质在饱和区内被部分汽化，并在膨胀机中以两相状态膨胀[30]。该循环被定义为PEORC（部分蒸发有机朗肯循环）。在PEORC中，通过更好地利用热源可以实现更高的功率输出，同时由于温度分布匹配得到改善，?损失也可以减少[31]。例如，Bellos报告称，与ORC和TLC相比，PEORC的效率更高，分别为6.49%，而ORC和TLC的效率分别为6.31%和5.5%[32]。Dawo等人通过实验验证了利用PEORC发电的可行性，并报告称PEORC的性能比常规ORC高出最多80%[33]。这些研究表明，与常规ORC和TLC相比，PEORC具有潜在的绩效优势，尽管其性能在很大程度上取决于两相膨胀机的特性。

尽管PEORC系统在可持续能源生产方面具有令人期待的优势，但据作者所知，目前文献中尚未报道过关于基于地热的PEORC驱动制氢系统的研究。为了填补这一空白，本研究的主要目标是通过热力学、?分析、技术经济分析和ANN辅助多目标优化分析，全面考察一种基于地热的PEORC驱动PEME一体化绿氢生产系统。本研究的创新之处不仅限于将PEORC与PEME进行集成。本研究还探讨了部分蒸发在地热驱动制氢中是否相比常规ORC和TLC具有性能优势。与上述PEORC研究不同，本研究引入了湿气罚参数（k）来表示两相膨胀过程中膨胀机等熵效率的降低。根据文献中报告的两相膨胀机性能趋势，选择了三个固定的k值（0.05、0.25和1.0）分别代表低、中、高湿气罚条件。此外，PEORC、ORC和TLC案例在相同的运行约束下分别进行了优化。因此，本研究既考察了PEORC的潜在优势，也分析了这种优势如何随两相膨胀机性能变化而变化。本研究的主要目标和创新贡献可总结如下：

• i.
  通过考虑影响PEORC性能的关键参数进行全面的参数分析，包括膨胀机入口温度（EIT）、蒸汽品质（x）、表示两相膨胀对膨胀机等熵效率影响的湿气罚参数（k），以及夹点温度差。
• ii.
  在相同的系统框架和运行约束下，比较所提出的基于PEORC的绿氢生产系统与ORC和TLC的热力学和经济性能。
• iii.
  利用ANN辅助的NSGA-II进化算法进行多目标优化，确定最优氢产量-LCOH和氢产量-地热出口温度折中方案，并通过TOPSIS决策方法识别平衡运行方案。对所研究案例的帕累托最优解也进行了比较评估。
• iv.
  通过研究贴现率、PEME CAPEX、地热质量流量和氢气售价对系统经济性能的影响，进行经济敏感性分析。

章节摘要

系统描述

图1展示了所提出的基于地热的PEORC驱动绿氢生产系统。温度为$T_{g,i}$的地热卤水从生产井中提取，首先通过一台加热器将PEME中使用的热水（H₂O）升温至80 °C。这种配置提高了PEME的效率。由于地热卤水的质量流量远大于H₂O的质量流量，其在通过加热器时温度仅略有下降。

结果与讨论

本研究使用EES软件对基于地热的PEORC驱动PEME一体化绿氢生产系统进行了热力学和经济分析，而基于ANN的多目标优化则在MATLAB中完成。本节将展示并讨论参数分析结果、多目标优化结果、PEORC、TLC和ORC运行模式之间的比较以及经济敏感性分析结果。

结论

提出并研究了一种基于地热的PEORC驱动PEME一体化绿氢生产系统。所提出的系统采用热力学和技术经济方法进行分析。进行了全面的参数考察，以评估EIT、x、夹点和k的影响。随后，采用ANN辅助的基于NSGA-II的多目标优化，获取${\stackrel{?}{m}}_{H_2}$-LCOH和${\stackrel{?}{m}}_{H_2}$-$T_{g,o}$目标的帕累托最优解。三个固定的湿气罚值（k = 0.05、0.25和1.0）被

作者贡献声明

Halil Ibrahim Topal：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿撰写，可视化，验证，监督，软件，方法论，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告工作的客观性。