隨著全球?qū)p少溫室氣體排放的日益重視，氫氣作為清潔能源的角色愈加突出，特別是在化學工業(yè)中具有廣泛的應用前景?；瘜W工業(yè)對氫氣的需求通常要求連續(xù)穩(wěn)定的供應，然而光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電力具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點，受天氣條件和日夜變化影響較大，這使得直接利用光伏電力進行氫氣生產(chǎn)難以實現(xiàn)連續(xù)和穩(wěn)定的供應。因此，如何在保證生產(chǎn)穩(wěn)定性的同時優(yōu)化能源利用效率、降低氫氣生產(chǎn)成本，成為當前可再生能源氫氣應用于化學工業(yè)的重要課題。

針對以上問題，中國科學院上海高等研究院（以下簡稱“上海高研院”）唐志永研究員和陳倩倩副研究員所帶領(lǐng)的工程科學團隊，以時序穩(wěn)定輸出的氫氣為主要負荷，設(shè)計了完全離網(wǎng)和超輕并網(wǎng)場景下的光伏制氫系統(tǒng)的運行策略，并以氫氣成本的最小化為目標，利用網(wǎng)格搜索算法對每種場景下的系統(tǒng)容量配置進行了優(yōu)化。并基于優(yōu)化結(jié)果，深入分析了不同制氫系統(tǒng)的能源流、成本效益和全生命周期的環(huán)境影響。研究成果以“Strategy-based optimization and life cycle environmental impact assessment of a stable photovoltaic power-to-hydrogen system”為題近日發(fā)表在能源環(huán)境領(lǐng)域期刊Energy Conversion and Management。論文第一作者為上海高研院博士研究生顧宇。

結(jié)果表明，基于100噸/天的光伏制氫系統(tǒng)，完全離網(wǎng)場景下，其優(yōu)化后的氫氣平準化成本為35.3元/kgH2；超輕并網(wǎng)場景下，其優(yōu)化后的氫氣成本為26.8元/kgH2，在考慮進一步出售多余的電力，氫氣成本可降至24.2元/kgH2。在環(huán)境影響方面，完全離網(wǎng)場景下，光伏制氫系統(tǒng)的生命周期溫室氣體排放量為5.98kgCO2e/kgH2; 而在超輕并網(wǎng)場景下，其溫室氣體排放量可降至最低 5.28kgCO2e/kgH2。綜合比較，在超輕并網(wǎng)并出售電力的場景下，其全球變暖潛能（GWP）和氫氣平準化成本分別比完全離網(wǎng)制氫系統(tǒng)低12%和31%。表明采用超輕并網(wǎng)制氫的生產(chǎn)模式可以有效平衡系統(tǒng)的可靠性、環(huán)境影響和經(jīng)濟效益，或可考慮其作為中國規(guī)?；稍偕鷼渖a(chǎn)在近期至中期的過渡路徑。

（a）光伏制氫系統(tǒng) （b）制氫系統(tǒng)優(yōu)化策略（c）制氫系統(tǒng)生命周期排放邊界

該工作獲得了科技部重點研發(fā)計劃、殼牌前瞻科學項目和國家自然科學基金等多個項目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118747