在地热、风力、太阳能和蓄电池系统中进行混合利用，以在寒冷地区实现清洁、可持续的能源生产

《Energy》：Hybridization of a geothermal, wind, solar, and battery system for clean, sustainable power production in cold regions

　　

作者列表：Alireza Dehghani-SanijMohammad Hadi GhasemiAndrew WigstonMohammad Mehdi Salehi DezfouliNima Khakzad

加拿大滑铁卢大学可持续能源研究所（WISE），滑铁卢，ON N2L 3G1

摘要

多种能源（尤其是可再生能源）与储能技术的结合是一种可行、可持续且可靠的方法，可以提供零/低碳能源，减少碳基排放，并支持脱碳和可持续发展目标。在本研究中，所设计的混合系统包括地热能（一个 binary Organic Rankine Cycle 及一个生产井和一个注入井）、风能、太阳能以及柴油（仅作为应急备用）系统，同时还配备了电池和氢储能技术，以在寒冷气候下提供长期清洁能源。为了开发这一混合概念并评估其技术经济性能，选定了加拿大北部寒冷气候地区的代表性研究区域。根据该研究区域的特征以及项目生命周期（30年以上）内的能源优化管理，地热系统被安排为全年运行（12月至3月），其余时间则停止运行（6月至9月），以确保生产效率和地热储层的补充。为了获得真实可靠的结论，人们付出了大量努力来收集各种混合组件的实际数据/成本/价格。技术评估表明，所设计的混合策略可以为该研究区域带来更高的年电力输出，平准化能源成本约为0.36加元/千瓦时——几乎是目前柴油发电成本的一半——同时将对环境的影响降到最低。经济评估显示，投资回收期和内部回报率分别为约18年和约7%。这种混合分析可以应用于其他具有有利地热潜力的寒冷气候地区。

引言

当今，为了满足全球不断增长的需求，同时减少碳基排放、降低环境风险并确保更清洁的环境，生产充足、经济实惠且可持续的热能和电能是面临的主要挑战之一[1]。据报道，传统的碳基燃料目前占世界能源生产的约80%[3]，而各种类型的可再生能源（RESs）合计仅占约20%[4]，且对全球变暖或空气污染的影响很小或没有影响。因此，可再生能源可以在实现可持续性和脱碳目标以及保护环境方面发挥重要作用[5]。例如，由于加拿大的气候和地理特点，该国致力于通过从传统碳基燃料转向清洁能源和可再生能源，在2050年实现碳中和[7]，同时发展绿色、智能和先进的技术及可持续实践[8]。

在可再生能源中，地热能（GE）因其独特优势而脱颖而出，包括不受气候影响、低碳排放、本地可获取、几乎稳定和可预测、具有基础负荷特性，且受地缘政治问题或供需链中断的影响较小[9, 10, 11]。无论是独立运行还是与其他能源和储能技术结合使用，地热能都是一种实用、高效且可靠的清洁能源（热能和电力）生产方式，适用于多种用途或终端用户，在具有有利地质条件的地区尤其如此。然而，尽管具有这些优势，仍需妥善管理地热储层，以防止热能容量和生产效率随时间下降[12]。因此，本研究提出了一种基于地热的混合方案来解决这一问题。

目前，结合储能技术（如电池、氢能源、压缩空气和水力泵系统）的混合可再生能源系统（HRESs）因多种优势而受到重视[13]。例如，HRESs在缓解全球变暖、环境风险和气候变化方面的策略中越来越具有吸引力[14]。此外，持续的技术进步降低了资本和运营成本，提高了其经济竞争力[15]。此外，HRESs通过整合多种能源来源，提高了供应可靠性和运营效率，从而弥补了单个系统的间歇性问题，确保了更稳定和可靠的能源输出[16, 17, 18]。

HRESs的设计受到多种因素的影响，如当地/区域特征（如气候、地理和地质条件[19]）、资源可用性、现有基础设施以及能源需求和负荷模式的变化[20]。虽然已经从不同角度对集成地热能的HRESs进行了研究，但与其他混合系统配置相比，基于地热的HRESs仍较少受到关注。表1总结了一些近年来研究的地热能基HRESs。根据文献综述，地热能与太阳能的结合是最常见的配置类型，但目前仅有约12%的此类混合系统用于发电[21]。

本研究提出了一种完全依赖可再生能源的混合配置，包括地热能、风能和太阳能，并结合了电池和氢储能技术。这种混合方案旨在实现从化石燃料设施向清洁、可靠、稳定且廉价的电力供应的绿色转型，适用于加拿大寒冷气候地区的某研究区域。

本研究的主要创新点如下：

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  使用该研究区域的实际数据和对系统组件采购及现场准备、安装、运营和维护相关成本的信息，进行系统的系统性技术经济评估。
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  为地热系统制定具体的年度运营计划，以同时为研究社区提供足够的电力，并维持地热储层的长期有效性。
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  填补关于寒冷气候地区使用基于地热的HRESs和储能解决方案的研究空白，这类研究相对较少，而其他混合系统配置在炎热/温暖气候地区则更为常见。
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  采用创新方法在HOMER软件中对地热组件进行建模和评估，因为该软件中未预定义此类组件。

本研究提出的混合方案与全球脱碳、实现清洁能源获取、能源安全和公平以及可持续性的努力高度一致。

节选内容

研究区域的特点

本研究用于评估所设计混合系统性能和有效性的研究区域是位于加拿大西北地区（CNT）西南边缘的Fort Liard（FL）原住民社区（图1(a)），该地区代表了全球寒冷气候区的特征。FL气候恶劣，冬季漫长，地理位置偏远，未连接到国家/地区电网，且严重依赖碳基燃料。

材料与方法

本节介绍了所提出的混合系统中使用的组件，以及用于评估系统性能和生产力的方法。

结果与讨论

本节展示了基于HOMER和COMFAR得出的技术和经济结果。表7总结了混合系统的年发电量。在这种混合系统中，地热能、风能和太阳能光伏组件分别每年发电约852 MWh、约588 MWh和约2359 MWh，总发电量约为3799 MWh。其中，光伏板贡献了62.1%的发电量，

结论与未来研究建议

本研究基于实际数据和信息，进行了技术经济可行性评估，旨在开发一种混合电力生产系统，该系统结合了地热能（一个 binary ORC 和一个生产井和一个注入井）、太阳能光伏、风能以及柴油（仅作为应急备用）系统，并配备了储能技术。该混合系统旨在为CTN地区的FL社区（该社区依赖柴油供电）提供长期（30年以上）的电力支持。

CRediT作者贡献声明

Alireza Dehghanisanij：写作 – 审稿与编辑、撰写初稿、可视化、验证、软件、资源管理、方法论研究、数据分析、概念化。Mohammad Hadi Ghasemi：写作 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件、方法论研究、概念化。Andrew Wigston：写作 – 审稿与编辑、可视化、验证、资源管理、方法论研究、概念化。Mohammad Mehdi Salehi Dezfouli：写作 –

利益冲突声明

作者声明作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。

数据可用性

本研究使用和分析的数据是机密的，但可根据合理请求向相应作者获取。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。