中国广东省混合风能-光伏制氢加氢站的经济与运营分析

《Energy Strategy Reviews》：Economic and operational analysis of a hybrid wind-photovoltaic hydrogen refueling stations in Guangdong China

　　李玲玲|曹华强|程虎虎
中央财经大学，北京100081，中国

**摘要**
本研究评估了中国广东省一个集成光伏（PV）和风力涡轮机（WT）系统的并网氢燃料站（HRS）的经济和运营性能。该配置包括可再生能源发电、质子交换膜（PEM）电解槽、压缩机、预冷装置、分配器和氢储存罐，用于现场氢气生产和加注。利用当地太阳辐射、环境温度和风速数据，估算了在每天100-400公斤氢气需求水平下的可再生能源发电量，并评估了系统性能。开发了一个技术经济模型，以计算不同项目寿命内光伏、WT和混合光伏/WT配置的资本成本、运营成本以及氢气的平准化成本（LCOH）。结果表明，在广东省的资源条件下，基于光伏的系统比基于风能和混合系统的性能更好。在每天400公斤氢气的加注能力下，5兆瓦的光伏系统提供了80%的站用电需求，而混合系统仅为69%，纯风能系统仅为17%。在20年的使用寿命内，5兆瓦光伏配置的最低LCOH为4.5欧元/公斤氢气，而混合和风能系统的氢气成本更高。这些发现表明，在广东省，以光伏为主导的并网HRS设计是最具成本效益的选择，并强调了在氢基础设施规划中进行特定地点的可再生资源评估的重要性。

**术语表**
**缩写** | **全称**
AEM | 阴离子交换膜
AWE | 碱性水电解
BEVs | 电池电动汽车
CAPEX | 资本支出
CO2 | 二氧化碳
COP | 性能系数
FCVs | 燃料电池汽车
H2 | 氢气
H2O | 水
HRS | 氢燃料站
HSS | 混合能源存储系统
LCOH | 氢气的平准化成本
MW | 兆瓦
kW | 千瓦
NOCT | 名义工作温度
NOx | 氮氧化物
OPEX | 运营支出
PEM | 质子交换膜
PV | 光伏
SVMs | 支持向量机
WT | 风力涡轮机

**1. 引言**
氢作为一种清洁的交通燃料，越来越受到关注，因为燃料电池汽车可以零尾气排放，并且与传统电池充电系统相比，加氢速度更快。随着对氢能交通的兴趣增加，开发HRS对于支持燃料电池汽车的大规模部署至关重要。特别是利用可再生能源现场生成氢气，为减少与燃料相关的排放和对外部供应氢气的依赖提供了一条有前景的途径[1]、[2]。这些混合系统可以应用于多种用途，从小型住宅设施到大型工业项目，使其成为不同地点和人群的适应性能源生成选项[3]。此外，这些混合系统可以根据多种环境进行配置，因此可以在不同的本地环境中部署。结合光伏和风能的系统在干旱内陆和多风的沿海地区都有潜力提供可行且可靠的替代方案[4]。同时，由于汽车数量的增加，城市中二氧化碳、氮氧化物（NOx）、二氧化硫和颗粒物的浓度上升，进一步突显了寻找污染更少的交通方式的需求[5]。燃料电池汽车在这方面是一个解决方案，因为它们运行时只产生水蒸气，有助于减少有害排放，改善城市空气质量和人类健康[6]。
燃料电池汽车相比电池电动汽车有几个优势，特别是在长距离旅行方面更具吸引力。电池汽车的充电时间可能很长，尤其是在基础设施较差的地区，这被认为是电池电动汽车的一个主要缺点。相比之下，氢动力汽车可以在几分钟内完成充电，为驾驶员提供与传统汽车相似的更快体验[7]。此外，燃料电池汽车的续航里程可以与汽油汽车相当，有助于解决许多潜在电池电动汽车客户可能面临的里程焦虑问题。燃料电池汽车的增加使用和所需的基础设施可能会大幅减少对化石燃料的依赖，减少有害排放，并帮助解决城市空气污染问题[8]。
利用可再生能源通过水电解产生的氢气被广泛认为是低碳能源供应的一个有前景的途径。在混合可再生能源系统中，来自光伏和风能的多余电力可以转化为氢气，使多余的能量得以储存并随后用于运输应用。这种能量转换方式提高了基于可再生能源系统的运营灵活性，并支持将可变的可再生能源整合到氢燃料基础设施中[9]、[10]。
基于可再生能源的氢系统的经济可行性也取决于电解槽技术的效率和成本。在现有的可能性中，质子交换膜（PEM）电解槽特别适合氢燃料应用，因为它们性能高、反应速度快，并且能够在波动的可再生能源输入下运行。这就是为什么在当前研究中广泛考虑了PEM电解[12]。在可用的电解技术中，PEM电解槽特别适合氢燃料应用，因为它们效率高、响应快，并且与可变的可再生能源来源兼容。由于PEM电解槽反应快，可以在可变的可再生能源输入下运行，因此可以轻松应用于现场氢加注。这也是当前研究中采用PEM电解的原因。氢技术的发展促进了氢燃料站的增长，这些站点变得越来越重要。然而，在许多地方，如偏远地区，它们仍然没有得到部署[13]。LCOH在以往的研究中被广泛用于评估此类系统的经济性能。报告的LCOH值在比利时、瑞典、意大利和中国有所不同，表明氢生产成本在很大程度上取决于当地的可再生资源条件、系统设计和运营规模[14]。例如，比利时一个使用风能和光伏能源的并网氢燃料站的LCOH为10.3欧元/公斤。相比之下，独立的风能系统的LCOH值在5.18至9.62美元/公斤之间。在瑞典，独立风能驱动的并网氢燃料站的LCOH也在5.18至9.62美元/公斤之间。除了技术经济分析外，其他过去的研究还强调了光伏和风能系统性能分析的重要性，因为可再生能源发电系统的效率、退化行为和运行条件直接影响氢气的生产成本和系统可靠性。最近的论文使用机器学习方法（包括SVMs和神经网络）研究了光伏模块的退化、性能分类和技术评估。这种扩展的性能分析视角为评估可再生能源驱动的氢燃料系统奠定了基础。
尽管过去的研究已经评估了其他地区的混合可再生能源驱动的氢燃料系统，但尚未充分研究中国广东省一个并网的混合风能-光伏氢燃料站的经济和运营性能[15]。特别是，很少关注当地可再生资源特性对系统配置、电网互动和氢平准化成本的影响。因此，本研究考察了中国广东省一个结合光伏和风能以及PEM电解的并网现场氢燃料站[16]。该分析比较了不同的氢加注方案，并确定了在特定资源条件下最具经济性和运营可行性的系统配置。除了技术经济评估外，分析可再生能源系统的性能在氢相关应用中变得越来越重要，因为光伏和风能系统的效率、退化行为和运行特性直接影响氢的生产成本和运营可靠性。最近的研究使用人工智能技术（包括神经网络和其他数据驱动方法）研究了光伏模块的退化并比较了不同光伏技术的性能。这些方法为识别性能损失、改进系统监控和支持更可靠的氢燃料站设计提供了有价值的工具。
尽管过去的研究在 diferentes 国家和各种运行条件下评估了可再生能源驱动的氢燃料系统，但仍有若干限制。许多研究基于特定地点的假设，这些假设不能直接转移到其他地区，而一些研究仅关注单一的可再生能源或离网运行。此外，关于当地可再生资源特性如何影响并网混合氢燃料站的技术经济性能的关注有限。对于广东省来说，由于太阳能资源相对充足而风能资源较为适中，尚未对光伏、风能和混合配置进行详细比较。因此，本研究通过评估在本地气候条件下结合光伏和风能以及PEM电解的并网现场氢燃料站的经济和运营性能来填补这一空白。
本研究对可再生能源驱动的氢燃料基础设施的发展做出了几项贡献。首先，它使用当地的太阳能和风能数据提供了中国广东省并网氢燃料站的特定地点技术经济评估。其次，它比较了在不同氢生产能力和项目寿命下的光伏、风能和混合光伏-风能配置。第三，它评估了可再生资源的可用性如何影响电网依赖性、组件成本分布和氢的平准化成本。研究结果有助于确定适合研究地点的最适系统配置，并为具有类似可再生能源特征的地区的成本效益氢燃料站的规划和设计提供实际指导。

**2. 方法论**
**2.1. 位置**
广东省提出的混合HRS结合了光伏和风能，以利用该地区的有利天气条件，如图2、图3所示。广东省具有利用可再生能源发电的优越条件，平均太阳辐射为4.82千瓦时/平方米，风速为3.3米/秒。图2显示的2022年太阳辐射的日变化和月变化表明全年都有很高的光伏潜力，可以维持HRS的运行。图3展示了用于评估当地可再生能源性能的环境风速和温度数据。图3展示了评估风力涡轮机效率的关键环境温度和风速数据，特别是在光伏辐射较少时，风力涡轮机可以作为补充能源。结合光伏和风能可以保证更一致和连续的能源供应，这对于氢气生产至关重要[17]。图1显示了中国广东省提出的现场氢燃料站的位置。图2、图3提供了模型中包含的可再生资源的日数据和月数据，如光伏辐射、环境温度和风速。这些数据是根据气象输入估计的，以确定在当地条件下光伏和风能子系统的发电潜力。图2、图3显示了用于光伏和风能计算的可再生资源数据。

**2.2. 氢燃料站的概念**
本案例研究考察了广东省一个结合PV系统和WT以及HSS的HRES配置。该系统包括PEM电解槽、压缩机、预冷装置、分配器和高压及低压储存罐。图4展示了本研究中使用的并网混合风能-光伏氢燃料站的总体配置。

**附图说明**
- 图1. 中国广东省现场氢燃料站的位置
- 图2. HRS模型中使用的每日平均可再生资源数据：(a) 太阳辐射，(b) 环境温度，(c) 风速
- 图3. 太阳辐射、环境温度和风速的月平均值该系统也被假设为并网运行的，这样多余的可再生能源电力可以出售给电网，而电力不足时则可以通过从电网进口电力来弥补。PEM电解器产生的氢气最初被储存在一个低压缓冲罐中，然后被压缩到高压以充满车辆。中型乘用车预计需要700巴的加注压力，而公交车则需要350巴的压力。HRES包括一个5兆瓦的光伏和风能发电能力，旨在满足电解过程及其辅助组件（包括压缩机和预冷却单元）的电力需求。在标准运行条件下，光伏和风能系统的总输出可能会有所变化，因此需要与电网集成以稳定能源供应。当可再生能源的输出超过系统需求时，多余的能量会被输送到电网，从而成为一种提高整体能源效率的并网解决方案[19]。当可再生能源发电不足时，电网电力将用于填补缺口，并确保电解器能够持续运行，即使天气条件发生变化[20]。电解产生的氢气首先储存在低压缓冲罐中，随后被压缩并输送到高压储存罐[21]。这种储存方式是为了满足不同类型车辆的加注需求，其中公交车需要350巴的压力，而乘用车需要700巴的压力。这要求分阶段进行氢气的加压以满足加注压力。因此，储存系统的设计不仅对运营效率至关重要，也对管理和处理高压氢气的安全及成本问题具有重要意义[22]。由于在700巴以上压力下储存存在额外的技术和经济限制，渐进式加压成为更可行和安全的氢储存和输送方法[23]。加注过程中的氢气供应是分阶段进行的。最初从低压储存开始，随着车辆储罐的逐渐充满，再切换到中压和高压储存。对于700巴的加注，需要进行预冷却，因为氢气在压缩过程中温度会上升。预冷却单元在加注前降低气体温度，有助于在整个过程中保持安全和稳定的压力水平。这种设计使加注站能够有效服务于各种类型的车辆，同时保持加注性能和安全性。通过将可再生能源电力与氢气生产和加注相结合，还可以提高加注基础设施的可持续性。

环境方面：使用本地可再生能源将消除对传统化石能源的依赖，使运输操作具有更低的排放量。这表明，在所有情况下，电网的支持尚未达到满足持续氢燃料储存（HRS）需求的能力。图6显示了在每天加注400公斤氢气的情况下，HRS所使用的电力构成。研究结果表明，仅依靠风能的方案严重依赖电网电力，仅有17%的需求由可再生能源满足；其余的83%由电网供应。相比之下，包含4兆瓦光伏和1兆瓦风力涡轮机的混合系统可以将可再生能源的比例提高到69%。5兆瓦的光伏系统表现最佳，能够提供80%的电力需求来自可再生能源。这些发现表明，在广东的资源条件下，基于光伏的系统比以风能为主的系统更有利于减少对电网的依赖。

图7显示了在不同氢气生产容量下，HRS各组件的资本支出（CAPEX）在20年使用寿命内的分布。结果指出，光伏和风力涡轮机子系统占总资本支出的最大份额，其次是电解槽。随着氢气生产能力的增加以及高压储存系统的需求增加，成本也随之上升。在每天生产100公斤氢气的系统中，光伏子系统的CAPEX占比为41%；在每天生产400公斤氢气的系统中，这一比例上升至50%。在每天生产100公斤氢气的系统中，风力涡轮机子系统的CAPEX占比分别为76%；在每天生产400公斤氢气的系统中，这一比例为69%。这些结果表明，可以选择的可再生能源技术会影响整个系统的成本。

图8比较了在不同HRS配置下，项目在10年、15年和20年内的生命周期成本（LCOH）。研究发现，通过将资本投资分散到更长的时间内，可以降低LCOH。在考虑的案例中，5兆瓦光伏方案的LCOH最低，20年内的LCOH为4.5欧元/公斤氢气。相比之下，4兆瓦光伏/1兆瓦风力涡轮机的混合方案的LCOH较高，为6欧元/公斤氢气，这表明在风能资源较为有限的条件下，集成风能会带来额外的成本。这些发现表明，在广东的情况下，基于光伏的设计在经济上优于基于风能或混合能的方案。

具体来说，图8表明，在20年的长期投资情景下，与短期投资相比，LCOH显著降低。由于可以在更长的时间内摊销初始资本支出，并且增加运行时间从而提高容量利用率，因此每单位氢气的成本得以降低。对于配备5兆瓦光伏系统且每天加注能力为400公斤氢气的加氢站，当系统运行20年时，LCOH优化为4.5欧元/公斤氢气。然而，包含4兆瓦光伏能力和1兆瓦风力能力的混合系统的LCOH略高，为6欧元/公斤氢气，主要是由于风力子系统的额外资本、运营和维护费用。图8还指出，在混合系统中，风能所占比例越高，LCOH也越高，尤其是在风能资源较低的情况下。这一发现是由于初始资本支出较大以及维持涡轮机运行所需的持续维护成本较高所致。结果表明，在选择最适合氢加氢站的能源组合时，必须评估特定地区的可再生能源条件，特别是太阳辐射水平和风速。尽管集成风能可以提高能源多样性，但在风能较弱的地区，它可能不是最具成本效益的解决方案。这些发现为改进HRS的设计和发展以及支持氢基础设施的经济发展提供了有用的建议。

随着安装的可再生能源容量的增加，特别是在混合光伏-风能系统中，LCOH也会增加。这主要是由于大型复杂系统的资本投资和运营成本较高。尽管混合配置可以提高供应可靠性并减少对电网的依赖，但它们还需要额外的设备、储存设施和电网集成。这些额外的需求可能导致系统损耗增加和氢生产成本上升。表3将本研究与过去关于光伏、风能和混合动力氢加氢系统的研究进行比较。比较显示，由于系统规模、项目寿命、可再生资源的可用性、电网连接方式和电解槽技术的差异，报告的LCOH值存在显著差异。当前分析显示，在良好的太阳能条件下以及并网模式下，基于光伏的广东案例的经济性能得到了提升，优于一些先前的研究报告。这篇文献综述将广东案例置于更广泛的技术经济背景中，并强调了地理位置特定的可再生能源条件在HRS设计中的重要性。

表3. 文献中关于光伏和风力涡轮机集成系统的比较分析。

表3列出了不同项目中HRS组件的资本成本（LCOH）分布情况，包括项目寿命（年）、电源类型、电解槽类型、地点等参数。

结论
本文探讨了在中国广东将光伏、风力涡轮机以及光伏/风力涡轮机混合系统整合到并网HRS中的经济和运营可行性。研究发现，当地可再生能源的条件对系统性能和氢生产成本有着显著影响。鉴于本研究假设的情况，基于光伏的方案表现优于基于风能的方案，主要是因为广东拥有较高的太阳能潜力，而风能资源相对较低。分析还发现，LCOH受到可再生资源可用性、系统设计、组件成本分布和项目寿命的影响。光伏配置取得了最佳的经济性能；在评估的案例中，20年情景下的LCOH最低。这些结果表明，在广东，以光伏为主的系统更适合氢加氢应用，并强调了在开发具有成本效益的氢基础设施时进行特定地点的可再生能源评估的重要性。本研究也存在一些局限性。分析基于广东当地的气候数据和技术经济假设，这可能限制了结果在其他地区的直接适用性。此外，成本参数、组件寿命和运营假设被视为固定值，而实际项目条件可能会随时间变化。该模型主要集中在技术经济和运营性能上，未包括详细的环境生命周期评估、不确定性分析或动态氢需求变化。未来的工作可以通过纳入敏感性分析、退化效应、环境指标和更广泛的区域比较来扩展分析范围。本研究的发现对类似可再生能源条件的地区规划和开发氢加氢基础设施具有实际意义。特别是，结果表明，在风能适中、太阳能条件良好的情况下，以光伏为主的并网系统可以更有效地降低氢生产成本和减少对电网的依赖。因此，该研究可以帮助工程师、投资者和政策制定者选择合适的可再生能源配置，以改善氢加氢站的经济可行性。