最优性

评估离网交流连接太阳能光伏-质子交换膜系统制氢规模的最优性

氢气 (H2) 在低全球变暖潜能值 (GWP) 负荷的生产过程中被广泛认为是一种宝贵的能源载体，能够实现化学工业、钢铁制造或重型运输等具有挑战性的行业的脱碳[1 e 3]。当由可再生能源电解水生产时，氧气是该过程的主要副产品，并且在运行阶段不会直接排放温室气体 (GHG)；因此，生产的 H2 被称为“绿色”[4]。此外，基于绿色氢的存储系统被认为是整合大量间歇性可再生能源、提供季节性存储服务以及弥合供暖、运输和电力等难以耦合的能源系统空白的最相关途径之一[5]。此外，政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 指出，采用绿色 H2 是一条可行的气候变化减缓途径 [6 e 8]。与其他 H2 生产途径相比，绿色 H2 的 GWP 负担最小，但目前其生产成本比最常见的基于化石燃料的 H2 生产途径（在实施碳捕获时也称为化石 H2 或蓝色 H2）更高 [3,4,9]。化石 H2 生产途径成本低，但 GWP 负担严重。此外，尽管目前国际社会对绿色 H2 热情高涨，但在 2020 年全球消耗的 9000 万吨 H2 中，约 80% 来自化石燃料途径，大部分来自未减排工艺，其余主要来自石化工业残余气体，造成的总排放量约为 9 亿吨二氧化碳当量 [10]。因此，开发和优化绿色 H2 生产途径具有重要意义和紧迫性。生产绿色 H2 的途径之一是利用太阳能光伏 (PV) 发电厂为电解系统供电，从而确保零排放能源供应。这就是所谓的光伏电解水分解 (PV-EL)，也是本研究的重点。如第 2 节后面所述，有几种将太阳能光伏连接到 PEM 电解器的拓扑可能性。在本研究中，我们重点关注通过交流链路与 PEM 电解器耦合的离网太阳能系统（如图 1 所示），其中光伏电池板的电力通过逆变器从直流转换为交流，然后通过交流/直流整流器供电解器使用。本文将这种类型的系统称为离网交流链路 PV-PEM。尽管需求和使用阶段与项目特定分析相关，但在本研究中，我们仅关注生产阶段以及推动其最佳尺寸和设计的要素。