随着全球对减少温室气体排放的日益重视，氢气作为清洁能源的角色愈加突出，特别是在化学工业中具有广泛的应用前景。化学工业对氢气的需求通常要求连续稳定的供应，然而光伏系统产生的电力具有间歇性和不稳定性的特点，受天气条件和日夜变化影响较大，这使得直接利用光伏电力进行氢气生产难以实现连续和稳定的供应。因此，如何在保证生产稳定性的同时优化能源利用效率、降低氢气生产成本，成为当前可再生能源氢气应用于化学工业的重要课题。

针对以上问题，中国科学院上海高等研究院（以下简称“上海高研院”）唐志永研究员和陈倩倩副研究员所带领的工程科学团队，以时序稳定输出的氢气为主要负荷，设计了完全离网和超轻并网场景下的光伏制氢系统的运行策略，并以氢气成本的最小化为目标，利用网格搜索算法对每种场景下的系统容量配置进行了优化。并基于优化结果，深入分析了不同制氢系统的能源流、成本效益和全生命周期的环境影响。研究成果以“Strategy-based optimization and life cycle environmental impact assessment of a stable photovoltaic power-to-hydrogen system”为题近日发表在能源环境领域期刊Energy Conversion and Management。论文第一作者为上海高研院博士研究生顾宇。

结果表明，基于100吨/天的光伏制氢系统，完全离网场景下，其优化后的氢气平准化成本为35.3元/kgH2；超轻并网场景下，其优化后的氢气成本为26.8元/kgH2，在考虑进一步出售多余的电力，氢气成本可降至24.2元/kgH2。在环境影响方面，完全离网场景下，光伏制氢系统的生命周期温室气体排放量为5.98kgCO2e/kgH2; 而在超轻并网场景下，其温室气体排放量可降至最低 5.28kgCO2e/kgH2。综合比较，在超轻并网并出售电力的场景下，其全球变暖潜能（GWP）和氢气平准化成本分别比完全离网制氢系统低12%和31%。表明采用超轻并网制氢的生产模式可以有效平衡系统的可靠性、环境影响和经济效益，或可考虑其作为中国规模化可再生氢生产在近期至中期的过渡路径。

（a）光伏制氢系统 （b）制氢系统优化策略（c）制氢系统生命周期排放边界

该工作获得了科技部重点研发计划、壳牌前瞻科学项目和国家自然科学基金等多个项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118747