用于绿氢技术经济评估的集成 Weibull 多准则框架：碱性及 PEM 电解槽在运营中和新兴站点的应用

《International Journal of Hydrogen Energy》：An integrated Weibull–multi-criteria framework for the techno-economic assessment of green hydrogen: application to alkaline and PEM electrolysers across operational and emerging sites

　　

## 基于Weibull-HOMER Pro-FUCOM-CRITIC-CoCoSo框架的14个绿氢站点评估

- **风电+光伏混合系统结合碱性电解的制氢水平化成本最低：2.2–5.5美元/kg**
- 风电+光伏方案将大多数站点的储氢量从600–900吨降至100吨以下
- 电解堆衰减使制氢水平化成本上升9.6%–30.2%，但不改变站点排名
- 能源场景对性能的影响大于电解技术类型

---

## 引言

据世界野生动物基金会（World Wildlife Fund）所述，可持续发展被定义为在满足当代人需求的同时，不损害后代满足其自身需求的能力 [1]。另一方面，现代经济仍然高度依赖化石燃料，这使得与气候变化相关的问题更加突出，因为排放了CO、CO?、SO?、NO?和颗粒物等温室气体 [2,3]。

面对大气中CO?浓度超过410 ppm带来的日益严峻的压力，全球许多国家正开始将其能源范式从不可再生能源转向可再生能源，尤其聚焦于氢能。据估计，未来数年氢需求将达到约6亿吨（2050年），因此氢能将成为迈向可持续能源未来的关键能源形式 [4]。为应对气候变化提出的紧迫要求，太阳能和风能以及其他形式的替代能源（如潮汐能和热能）已成为推动可持续能源未来的主要驱动力 [5]。

在此背景下，绿氢作为一种关键能源载体脱颖而出，因为它能为高度依赖可再生能源的系统提供灵活性和安全性。此外，它也是全球脱碳进程的基础组成部分之一。氢的能量密度为120–142 MJ/kg [6]，超过了其他传统燃料（如汽油33 MJ/kg、原煤25 MJ/kg和天然气24 MJ/kg）[7]。因此，氢在工业和交通等多个领域成为一种可行的替代方案 [8]。

与此同时，可再生能源技术的成本近年来大幅下降。据多项研究[9]，2010年至2021年间陆上风电度电成本下降了超过67%。这一趋势进一步增强了绿氢的竞争力，绿氢目前日益被纳入各国能源政策 [10]。除了这些成本下降之外，数据驱动优化技术的进步也在更广泛地提高可再生能源系统的效率；例如，Al-Rbaihat等人 [11] 将?分析与GBRT机器学习模型及Fire Hawk优化器相结合，以最大化太阳能驱动吸收制冷循环的效率。

从产业角度看，绿氢主要通过可再生能源电力驱动的水电解制取，主要来源于风能和太阳能。然而，基于可再生资源的替代途径也存在，包括生物质气化，以及新兴技术如光解水、光电化学系统和太阳能热化学循环，尽管后者仍处于较早期阶段 [12]。

据国际能源署（IEA）[13]，该技术成熟度仍然较低，近60%的氢气生产、储存和运输过程仍处于研究或示范阶段。这些技术壁垒在储存和运输阶段尤为突出，需要高压压缩（通常为350至700 bar）或在约?253°C下进行低温液化 [4,14]。两种方法都涉及大量能耗以及严格的安全约束。同样，Ahmed等人 [15] 也指出，缺乏清洁氢价值链、储运困难、高成本、缺乏国际标准和投资风险是广泛部署氢能的关键障碍。

这些限制正在推动替代解决方案的发展，包括固态储存、氨载氢运输、液态有机氢载体（LOHC），以及使用高强度复合材料。

总体而言，全球生产的大部分氢气来自基于化石燃料的热化学反应，包括蒸汽甲烷重整（SMR）、煤气化和重烃裂解。这类生产产生了被称为"灰氢"的氢气，已知其会排放大量CO?。通过在灰氢生产中加入碳捕集与封存（CCS）技术，可以生产"蓝氢"，因为蓝氢实现了部分脱碳，但仍依赖化石燃料 [16]。

另一方面，绿氢的生产仅利用可再生资源，目前电解工艺开发持续取得进展，如碱性电解（AEL）、质子交换膜电解（PEM）和固体氧化物电解（SOEC）[10,17]。其他创新技术包括无CO?排放的甲烷裂解、光解水和生物质气化。这些发展将使绿氢的采用更加高效和经济地融入可再生能源体系 [4]。

从这个角度来看，全球能源转型将氢能置于预计2050年前将发生的能源系统转型的核心位置。据国际可再生能源署（IRENA）[18] 的预测，电力将占能源消费总量的一半以上，而氢及氢相关燃料将能够提供全球能源消费总量最多14%的份额，预计94%的氢将由可再生能源生产。据国际能源署 [19]，该领域的竞争力将主要取决于较低的电解成本、可再生能源的广泛使用以及有利的政府政策等因素。

国际能源署生成的全球氢发展地图强调了其在全球的地理分布 [19]。在这方面，欧洲被视为领跑者，受到REPowerEU等倡议的刺激，以及连接北非与欧洲工业中心的H2MED和SoutH2等能源走廊 [13]。此外，东亚和澳大利亚是出口能力显著的地区，而中东和非洲则凭借丰富的太阳能和风能资源以及雄心勃勃的国家计划而引人注目。然而，大多数已识别项目仍处于可行性研究或建设阶段，意味着产能不足，通常低于0.8千吨H?/年。

在当今的地缘经济环境中，许多国家竞相成为未来绿氢生产的主导者。在欧洲，开展此类项目的国家包括西班牙（HyDeal Espa?a）、荷兰（NortH2）和德国 [4]。在非洲和中东，正在实施的项目包括沙特阿拉伯的NEOM绿氢项目 [20]、阿曼的Hydrom项目以及纳米比亚的Hyphen氢能项目。此外，在摩洛哥，制定了国家绿氢路线图，目标是到2030年每年生产10 TWh绿氢，并在2050年达到每年115 TWh，此外还用于电力储存 [21,22]。最后，在南美洲，智利正积极参与能源革命进程，实施了一项战略计划，到2030年将电解产能发展至25 GW。

现代研究为绿氢的可行性提供了实证依据，特别是在技术经济性方面 [23]。可再生氢的生产在经济上具有竞争力，尤其是在高效能源管理和使用大型风力涡轮机的情况下 [24]。现代研究表明，技术经济分析是评估此类项目经济可行性的不可或缺的工具 [9,16]。根据近期预测，绿氢生产成本预计将大幅下降，从2020年的3–8美元/kg降至2030年的1.3–3.5美元/kg，特别是在那些享有廉价可再生电力的地区，如中东、拉丁美洲 [25] 和北非 [26]。到2050年，在最有前景的地区，制氢水平化成本预计将降至2美元/kg以下 [27]。这些变化将得益于电解槽成本的显著下降，从2020年的800–1000美元/kW以上降至2050年的200美元/kW以下 [4,28]。此外，可再生能源的效率和价格预计在同一时期内持续下降。所有这些方面都表明，成本趋势将在未来绿氢的采用中发挥重要作用。

本研究利用威布尔分布（WD）、技术经济建模和多准则决策制定（MCDM），对采用风电和太阳能的绿氢进行了技术经济评估。该方法的目的是对全球广泛气候区域绿氢生产的潜力进行全面评估，支持能源政策制定和基础设施设计。

本文其余部分的结构如下：第二部分全面回顾了文献，描述了全球现有的先进绿氢技术现状。第三部分介绍了本研究的方法论，第四部分介绍了混合能源系统的设计。第五部分呈现了数学分析，第六部分呈现了所获得的结果及其分析。第七部分讨论了这些结果，第八部分总结了全文。

---

## 章节片段

### 不同规模绿氢生产的技术经济评估

近期研究证实了大规模绿氢生产的技术经济可行性，特别是基于结合海水淡化、储存和电转化工序（Power-to-X）增值途径的风电-光伏混合系统时。Kakavand等人 [14] 证明，结合风能和光伏发电并与1 GW PEM电解槽耦合的系统，可以实现每小时8992 kg H?的制氢速率，成本在2.94至3.32美元/kg之间。同样，Joyo等人 [29] 强调了……

---

### 研究方法论

本研究采用的方法论基于一个综合框架，旨在解决第2.3节中确定的差距。该框架依次结合可再生能源资源评估、技术经济建模和多准则决策分析（MCDM），以确保混合绿氢生产系统设计过程的整体一致性。

本研究使用的风数据来自NASA MERRA-2数据库，从官方门户下载……

---

### 混合可再生能源系统架构

所研究系统的架构基于为利用风能和光伏大规模生产绿氢而设计的混合配置，如图2所示。风力涡轮机（交流电）和光伏板（直流电）产生的电力被转换为直流电并输送至公共直流母线。该能量随后被输送至电解槽（配有水箱），以生产氢气（H?）和氧气（O?）。电解槽产生的氢气……

---

### 风数据和描述性统计

根据实测数据计算实际平均风速 $\bar{v}_R$（m/s），以表征研究站点的风制度 [32]：

$$\bar{v}_R = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N} v_i$$

其中 $v_i$（m/s）表示在第i时刻测量的风速，N表示观测总数。

风速的标准差 $\sigma$（m/s）反映了数据围绕平均值的离散程度，参考文献[32]给出：

$$\sigma = \sqrt{\frac{1}{N-1} \sum_{i=1}^{N} (v_i - \bar{v}_R)^2}$$

根据实测风速估算的实际风功率密度 $\overline{PD}_R$（W/m2）……

---

### 风制度比较分析

对14个国际站点在100 m高度的月度和日均风速（WS）变化进行了分析，并根据风能潜力将其分为1至7类（图3）。该分类基于NREL系统，基于50 m处的风功率密度。相关区间见表5。虽然分析的数据位于100 m高度（MERRA-2），但考虑到风能在高度增加时的增强效应，仍采用NREL分类作为比较参考。

---

### 讨论

三种能源场景的比较表明，氢生成的技术和经济特征主要由能源组合和设计配置决定，而非所采用的特定电化学转换系统类型（见表7）。在仅风电场景中，大多数站点的AEL和PEM系统的制氢水平化成本均落在IRENA确定的竞争力区间内：2.8–6.4美元/kg。这些发现表明，风能丰富的地区……

---

### 结论

本研究引入了一个综合多准则框架，将威布尔分布风潜力评估、HOMER Pro技术经济建模以及FUCOM–CRITIC–CoCoSo混合方法相结合。该框架评估了14个国际站点的绿氢生产，考虑了三种能源场景（仅风电、风电+光伏、仅光伏）和两种电解技术（AEL和PEM）。与五个研究问题相对应的主要发现总结如下：

---

## CRediT作者贡献声明

Badr El Kihel：写作—审稿与编辑，写作—原稿撰写，软件，资源，方法论，形式分析，数据管理，概念化。

Nacer Eddine El Kadri Elyamani：撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法论，形式化分析，概念化。生成式人工智能声明作者仅使用人工智能工具从已识别的来源中提取文献元数据。未使用生成式人工智能撰写或改写本手稿，手稿完全由作者本人撰写。所提取的信息已与原始来源进行了核对，作者对内容承担全部责任。资助本研究未获得任何外部资助。利益冲突声明作者声明以下财务利益/个人关系，这些利益/关系可被视为潜在的利益冲突：报告了与以下方面的关系，包括：有待授予专利。如果还有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文所报道的工作。Badr El Kihel | Nacer Eddine El Kadri Elyamani