评估通过单面和双面光伏技术生产绿色氢气对于实现印度能源目标的可行性

《International Journal of Hydrogen Energy》：Assessing the feasibility of green hydrogen production through monofacial and bifacial photovoltaic technologies for India's energy goals

绿氢生产可行性及经济性分析：基于印度单面/双面光伏系统与碱性/质子交换膜电解器的协同作用，研究得出双面光伏系统氢产量（0.0531 kg/m2）显著高于单面（0.0438 kg/m2），且PEMEL电解器的LCOH（1.84 USD/kg）较AEL更具经济优势，为印度绿氢战略制定提供数据支撑。

　　

S. Manikandan | K. Vijayakumar | C. Bharatiraja | K. Anusuya | Femilda Josephin JS | Edwin Geo Varuvel

印度泰米尔纳德邦Chengalpattu市Kattankulathur的SRM科学技术学院工程与技术学院机械工程系，邮编603203

摘要

1. 本文研究了在印度背景下使用单面和双面光伏（PV）发电系统生产绿色氢气的可行性。氢电解器和燃料电池技术的最新发展为绿色氢气的生成和利用提供了便利。本研究采用了碱性电解器（AEL）和质子交换膜电解器（PEMEL），并与光伏面板结合用于绿色氢气的生产。随后，评估了印度各地的氢气平准化成本（LCOH）。结果表明，使用双面光伏系统，碱性电解器平均可产生0.0531千克/平方米的绿色氢气；而使用单面光伏系统时，产量为0.0438千克/平方米。此外，使用PEMEL系统产生的氢气比使用AEL系统多2.2%。使用双面光伏系统的氢气平准化成本为4.47美元/千克，使用单面光伏系统的成本为5.07美元/千克；使用PEMEL系统的氢气平准化成本比AEL系统高1.84美元/千克。这些结果将有助于印度绿色氢气生产和利用的可行性及经济可行性研究以及相关政策制定。

引言

1. 不断增加的温室气体排放正在造成严重的环境问题，大多数国家正在制定政策，通过提高设备能效、增加可再生能源的使用以及推广基于绿色氢的技术来减少碳排放[1]。这是将全球温度升幅限制在1.5°C内的唯一方法。到2050年，氢气可能占减排总量的10%和能源需求的12%。印度计划到2047年停止使用化石燃料能源，从而减少空气污染。此外，印度还旨在将氢能源应用于交通运输领域，其中绿色氢气可能是其中一个解决方案。印度的国家绿色氢气计划目标是到2030年每年生产500万至1000万吨氢气[2]。
2. 虽然氢气作为能源使用时不会向环境中释放碳，但它在地球上自然状态下并不丰富。然而，它以其他形式大量存在。根据制造过程的不同，氢气有不同的颜色分类。例如，如果使用可再生能源生产氢气，则称为绿色氢气。目前，大约95%的氢气来自天然气，而天然气会排放大量二氧化碳[3]。目前，氢气主要通过蒸汽甲烷重整（SMR）或甲烷的部分氧化从初级能源中提取。这些方法通常与碳捕获技术结合使用以减少排放。利用可再生能源供电的水电解是一种生产“绿色”氢气的替代方法，这种方法更加环保。尽管目前成本较高，但电解技术正在迅速发展，有望降低氢气生产的碳强度，并有助于实现气候变化目标。颜色标签为氢气生产系统的分类提供了有效手段，如图1所示。
1. ●蒸汽甲烷重整产生的氢气为灰色氢气，会向大气中排放二氧化碳。
2. 蓝色氢气也是通过蒸汽甲烷重整获得的，但产生的二氧化碳通过碳捕获和利用系统（CCUS）被捕获和封存。
3. 绿色氢气可以通过利用风能或太阳能等可再生能源将水电解为氢气和氧气来生产。
4. 粉色氢气是通过利用核电站产生的电力进行水电解获得的。
5. 黑色或棕色氢气是通过煤的气化过程获得的，这一过程会向大气中排放大量二氧化碳。
1. 对于脱碳需求而言，与其他类型的氢气相比，绿色氢气更优，因为它在生成过程中不会污染环境。当它在其他领域用于发电时，也不会向环境中释放二氧化碳，从而减少碳排放。目前的氢气生产路线在经济上更为可行；然而，由于可再生能源技术的进步，生产绿色氢气的成本正在下降，未来可能会进一步降低。需要进行成本分析，以确定绿色氢气相对于其他选项是否具有经济可行性。先前的研究已经评估了在世界各地使用风能和太阳能等可再生能源生产氢气的潜力和成本。图2展示了利用太阳能光伏面板生产绿色氢气的示意图。
1. Cruz-Soto等人[4]研究了墨西哥炼油厂使用风能和太阳能光伏驱动的PEM电解器进行现场绿色氢气生产的情况，发现到2040年，氢气的平准化成本（LCOH）可能降低50%，达到2美元/千克。Makepeace等人[5]提出了一个技术经济模型，用于评估全球主要路线运输绿色氢气的可行性，预测了区域间运输的巨大需求。到2050年，预计300百万吨的绿色氢气需求中有85%需要通过运输来实现最佳分配，印度在2030年的氢气平准化成本预计为2.5–3.7美元/千克，2040年为2.2–3.2美元/千克，2050年为1.9–2.8美元/千克。
2. Ayub等人[6]评估了印度通过电解和核能过程生产绿色氢气的成本，分别估计LCOH为6.44美元/千克和4.46美元/千克。这项研究表明印度具有经济上生产绿色氢气的潜力。Man等人[7]研究了2020年至2060年中国各省生产绿色氢气的可行性。结果显示，使用碱性电解器的氢气平准化成本在3.18至8.74美元/千克之间，使用质子交换膜电解器的成本在3.33至10.24美元/千克之间。这表明了光伏应用的重要性以及氢气生产、利用和长距离运输所需基础设施的发展需求。Gerloff[8]评估了不同电解器生产绿色氢气的LCOH，得出结论认为固体氧化物电解器有可能提供更低的氢气平准化成本，使绿色氢气的成本与蓝色和灰色氢气具有竞争力。
3. Shin等人[9]研究了使用不同可再生能源和水电解技术生产绿色氢气的过程。结果表明，使用陆上风能和碱性电解器生产的氢气具有最低的LCOH（7.25美元/千克）。与太阳能光伏系统和聚合物电解质膜电解器相比，LCOH较高（13.44美元/千克）。这项研究为开发更高效、更具成本效益的绿色氢气系统提供了指导。
4. Liu等人[10]研究了固体氧化物电解池（SOEC）退化对绿色氢气生产和LCOH的影响。通过模拟和优化，确定了最佳运行条件，使用SOEC可以在集成热能的情况下将LCOH降低到3.60美元/千克，通过电网连接降低到2.59美元/千克，随着SOEC技术的进步，LCOH可能进一步降低到2.18美元/千克。预计到2035年，绿色氢气的LCOH将达到1.40美元/千克，超过灰色氢气。
1. 先前的研究广泛探讨了全球氢气生产的潜力和成本，通常侧重于风能和光伏技术。本研究使用了双面和单面光伏技术以及AEL和PEMEL技术，在印度所有气候区进行了绿色氢气生产的比较。同时评估了各地区的绿色氢气产量（单位面积千克）和氢气平准化成本（美元/千克），为区域动态提供了宝贵的见解。此外，还构建了使用碱性电解器和质子交换膜电解器以及单面和双面光伏技术的印度各地绿色氢气生产潜力和LCOH地图。这些信息对于规划和获取绿色氢气资源至关重要。政策制定者可以在生产丰富的地区投资并建设基础设施，以促进经济发展并实现气候目标。这种计划方法最大化了可再生能源的使用、能源安全和创新，确保低碳、强大的未来。这将帮助人们更好地理解和做出绿色氢气基础设施决策。

方法论

1. 图3展示了基于单面和双面光伏面板以及AEL和PEM电解器的绿色能源生产潜力评估方法。该方法包括对印度193个地点的单面和双面光伏产生的电能进行评估，然后计算碱性电解器和质子交换膜电解器的氢气产量。

单面和双面光伏产生的能量

1. 图6展示了使用单二极管模型评估的各种地点的双面和单面光伏年日均能量产出。结果表明，双面光伏面板的能量产出始终高于单面光伏面板。平均而言，双面面板产生的能量为2.59千瓦时/平方米，而单面面板为2.12千瓦时/平方米，显示出显著提升。这是因为双面面板可以从正面和背面产生电能。
1. 限制与未来研究方向
2. 光伏系统的能量输出很大程度上取决于地区太阳能辐射、环境温度和风速。在海拔较高、环境温度较低且太阳能辐射充足的地区，可以产生更多的电能，从而相比太阳辐射相似的温带地区生成更多的绿色氢气。
3. 由于太阳能辐射随时间变化，为了生产绿色氢气，可以将光伏系统与

结论

1. 研究结果提供了不同绿色氢气生产方法的经济可行性和效率的定量见解。结果还强调了绿色氢气在实现印度可持续性和净零排放目标方面的作用。主要结论如下：
1. 使用双面光伏发电系统的绿色氢气生产方式效率更高，单位面积产生的氢气量更多。

CRediT作者贡献声明

1. S. Manikandan：撰写——初稿，概念构思。
2. K. Vijayakumar：可视化，验证。
3. C. Bharatiraja：撰写——审阅与编辑，项目管理。
4. K. Anusuya：撰写——初稿，数据整理。
5. Femilda Josephin JS：可视化，软件开发。
6. Edwin Geo Varuvel：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。

利益冲突声明

1. 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。