一种PEM电制氢系统全寿命周期经济性评估方法技术方案

本发明专利技术提供一种PEM电制氢系统全寿命周期经济性评估方法及装置，首先依据PEM电解槽的衰减原理，建立变功率运行的PEM电解槽效率衰减量计算模型；基于此，计算变功率运行的PEM电解槽寿命，进而计算变功率运行的PEM电解槽全寿命周期投资成本与运行成本；然后，考虑变功率运行PEM电解槽效率与寿命随时间变化的特性，计算其全寿命周期的收入；最后，考虑考虑时间价值，计算PEM电解制氢系统全寿命周期的净现值。本发明专利技术将PEM电解槽变功率运行的效率与寿命变化考虑到其全寿命周期的经济性评估中，与现实模型更贴近，使其经济系评估更加精细与准确。准确。准确。

A life cycle economic evaluation method for PEM electric hydrogen production system

【技术实现步骤摘要】
一种PEM电制氢系统全寿命周期经济性评估方法


[0001]本专利技术属于电力系统经济性评估领域，具体涉及一种PEM电制氢系统全寿命周期经济性评估方法。

技术介绍

[0002]灵活可调的质子交换膜电解槽耦合随机波动新能源电解制氢是实现“碳中和”的关键环节，电解槽一次性投资成本、运行成本高且随机功率输入对其制氢效率与耐久性负面影响制约其规模化应用。因此，有必要对PEM电解制氢系统进行全寿命经济性的评估。
[0003]目前，常用的电解水制氢技术主要有两种，第一种是碱性水电解制氢，该技术相对最成熟，并且设备成本价格较低，但该技术也有一定的限制，响应速度较慢，系统抗冲击能力相对较差，难以承受电网低谷电力消纳及负荷冲击等场景下的快速动态调节。第二种是PEM电解水制氢技术，该技术成本相对较高，但具有响应速度快，针对动态变化电环境适应性强等特点，因此更适合用于解决电网当前存在的电网低谷消纳和负荷冲击等问题。然而，当PEM电解水制氢系统用于解决电网低谷消纳、负荷冲击等问题时，势必存在电解水制氢系统输入电能的频繁、快速波动的问题。PEM电解水制氢系统涵盖了电
‑
热流体的耦合过程，电输入的频繁、快速波动直接导致系统内部电
‑
热流体的变化，例如电解槽内部热分布、多相流、结构部件电容效应显著等问题，内部热流体的快速变化对电解槽内部催化剂结构团聚、脱落，质子交换膜的衰减、关键集电器的腐蚀等，将加速电解槽的性能的退化，缩短其寿命。因此在评估风电、光伏等新能源电源制氢经济性时，应考虑其新能源波动对电解槽的影响。
[0004]目前，已有较多研究讨论PEM电解槽制氢系统全寿命周期的经济性，但目前研究都未将电源波动对其制氢效率与寿命影响纳入经济性评估范畴，新能源PEM电制氢系统的经济性评估模型有待进一步精细化。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的缺点，本专利技术提出一种PEM电制氢系统全寿命周期经济性评估方法。本专利技术的PEM电制氢系统全寿命周期经济性评估方法的步骤如下：
[0006]1)依据PEM电解槽的衰减原理，建立变功率运行的PEM电解槽效率计算模型；
[0007]2)基于步骤1)得到的变功率运行的PEM电解槽效率计算模型，计算变功率运行的PEM电解槽寿命；
[0008]3)基于步骤2)得到的变功率运行的PEM电解槽寿命，计算变功率运行的PEM电解槽全寿命周期投资成本；
[0009]4)基于步骤1)与步骤2)得到的变功率运行的PEM电解槽效率与寿命参数，计算变功率运行的PEM电解槽全寿命周期运行成本；
[0010]5)基于步骤1)与步骤2)得到的变功率运行的PEM电解槽的效率与寿命参数，计算变功率运行的PEM电解槽全寿命周期的售氢收入；
[0011]6)考虑时间价值，计算PEM电解制氢系统全寿命周期的净现值。
[0012]进一步地，所述的步骤1)包括如下步骤：
[0013]PEM电解槽连续不间断的运行，催化层发生不可逆损失、膜内阻变大，PEM电解槽过电势增加，使工作电压上升，电压效率降低；由PEM电解槽效率衰减原理可知，PEM电解槽全寿命周期的衰减量是关于其寿命周期内额定功率运行时间的函数；假设在短时间内PEM电解槽衰减是均匀衰减与恢复，PEM电解槽运行一段时间t以后的效率，如式(1)所示：
[0014]η
t,end
＝η
t,strat
‑
η
t,d
+η
t,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015]式(1)中，η
t,end
为PEM电解槽时段t的末尾时刻电压效率，η
t,start
为PEM电解槽时段t的初始效率，η
t,d
与η
t,c
分别为时段t衰减的效率与恢复的效率。
[0016]进一步地，PEM电解槽长时运行初始工作电压上升，当PEM电解槽初始工作电压上升至最大工作电压时，更换电解槽，以保证系统效率，而PEM制氢系统其他元件的寿命不受电源波动的影响；
[0017]若考虑效率衰减，变功率运行PEM电解槽的寿命计算如式(2)所示：
[0018][0019][0020]式(2)中，T
cell
表示变功率运行PEM电解槽的寿命，Δη
max
为一个PEM电解槽最大的衰减量，Δt为单位时间。
[0021]进一步地，所述的步骤3)包括如下步骤：
[0022]PEM制氢系统全寿命周期投资成本C
inv
，如式(5)所示：
[0023][0024][0025]C
inv
＝n1·
P
PEM
·
C
cell
+n2·
P
PEM
·
C
other
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]式(3)与式(4)中，T
sys
为PEM电制氢系统规划周期，T
other
为PEM电制氢系统其他元件的使用寿命，n1与n2分别为规划周期内电解槽与PEM电解制氢系统其他元件的使用数量；式(5)中，C
cell
与C
other
分别为PEM电解槽与PEM电解制氢系统其他元件的投资单价；P
PEM
为PEM电解槽的额定功率。
[0027]进一步地，所述的步骤4)包括如下步骤：
[0028]PEM电解制氢过程的运行成本包含电费与水费两项，如公式(6)所示：
[0029][0030]k
e
(t)＝p
pem
(t)
·
Δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0031]k
w
(t)＝α
·
H(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]H(t)＝k
·
η(t)
·
p
pem
(t)
·
Δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0033]式(6)中，C
op
为变功率运行的PEM电解槽全寿命周期运行成本，c1(t)与c2(t)分别为电价与水价，k
e
(t)与k
w
(t)分别为t时段制氢所需的电能与水；式(7)中，p
pem
(t)为t时段PEM电解槽的运行功率，Δt为时间间隔；式(8)中，α为水的质量转换为氢气的比例关系，H(t)为t时段的产氢量；η(t)为t时刻PEM电解槽的电压效率，k为电压效率与制氢效率的换算
系数。
[0034]进一步地，所述的步骤5)包括如下步骤：
[0035]PEM电解制氢系统全寿命周期的售氢收入如式(10)所示：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种PEM电制氢系统全寿命周期经济性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：1)依据PEM电解槽的衰减原理，建立变功率运行的PEM电解槽效率计算模型；2)基于步骤1)得到的变功率运行的PEM电解槽效率计算模型，计算变功率运行的PEM电解槽寿命；3)基于步骤2)得到的变功率运行的PEM电解槽寿命，计算变功率运行的PEM电解槽全寿命周期投资成本；4)基于步骤1)与步骤2)得到的变功率运行的PEM电解槽效率与电解槽寿命，计算变功率运行的PEM电解槽全寿命周期运行成本；5)基于步骤1)与步骤2)得到的变功率运行的PEM电解槽效率与电解槽寿命，计算变功率运行的PEM电解槽全寿命周期的售氢收入；6)基于时间价值，计算PEM电解制氢系统全寿命周期的净现值。2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述的步骤1)包括如下步骤：基于PEM电解槽效率衰减原理，构建PEM电解槽全寿命周期的衰减量与其寿命周期内额定功率运行时间的函数关系；基于所述函数关系建立变功率运行的PEM电解槽效率计算模型。3.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于：基于所述函数关系建立变功率运行的PEM电解槽效率计算模型的步骤，包括：所述函数关系包括PEM电解槽时段t的末尾时刻电压效率、PEM电解槽时段t的初始效率、时段t衰减效率及时段t恢复效率；基于所述PEM电解槽时段t的末尾时刻电压效率、PEM电解槽时段t的初始效率、时段t衰减效率及时段t恢复效率得到如下PEM电解槽效率计算模型：η
t,end
＝η
t,strat
‑
η
t,d
+η
t,c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，η
t,end
为PEM电解槽时段t的末尾时刻电压效率，η
t,start
为PEM电解槽时段t的初始效率，η
t,d
与η
t,c
分别为时段t衰减的效率与恢复的效率。4.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述的步骤2)包括如下步骤：PEM电解槽长时运行初始工作电压上升，当PEM电解槽初始工作电压上升至最大工作电压时，更换电解槽；若考虑效率衰减，变功率运行PEM电解槽寿命的计算如式(2)所示：式(2)中，T
cell
表示变功率运行PEM电解槽的寿命，Δη
max
为一个PEM电解槽最大的衰减量，Δt为单位时间。5.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于：所述的步骤3)包括如下步骤：PEM制氢系统全寿命周期投资成本C
inv
，如式(5)所示：，如式(5)所示：C
inv
＝n1·
P
PEM
·
C
cell
+n2·
P
PEM
·
C
other
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式(3)与式(4)中，T
sys
为PEM电制氢系统规划周期，T
other
为PEM电制氢系统其他元件的使
用寿命，n1与n2分别为规划周期内电解槽与PEM电解制氢系统其他元件的使用数量；式(5)中，C
c...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁铁江，张红，黄碧斌，沈玉明，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司经济技术研究院国网能源研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：