文摘

氢是一种清洁环保的能源向量可以发挥重要的作用在满足世界未来能源需求。因此,全面研究潜力的太阳能制氢可以极大地促进氢经济的过渡。因为通过了解潜在的太阳能制氢的确切数额,其生产的成本效益可以与其他的制氢方法。考虑上述情况,可以看出,到目前为止还没有全面研究对发现的潜在的太阳能制氢在不同站点的伊朗和找到最合适的。因此,在目前的工作中,第一次使用荷马和ArcGIS软件,在home-scale太阳能制氢的技术经济研究。结果表明,Jask站的成本逐步降低的能量等于0.172美元,年生产83.8公斤的氢是最好的电台和达勒布站成本逐步降低的能量等于0.286美元,年生产50.4公斤的氢是最严重的。结果显示,其他合适的电台是布什尔和Deyr,和其他不适合站Anzali Khalkhal。另外,102年研究,380兆瓦的太阳能发电相当于70.2吨每年产生的氢。基于地理信息系统的地图,很明显,伊朗的南部,尤其是波斯湾和阿曼海的海岸,适用于制氢、北部,东北,西北,伊朗南部的一个地区不适合制氢。这篇文章的作者希望目前的工作成果将有助于能源政策制定者创建战略框架和一个路线图的生产太阳能氢在伊朗。

1。介绍

1.1。使用氢的必要性

不断增长的世界人口和经济,随着快速城市化,导致能源需求显著增加(1- - - - - -3]。电源在传统的形式是基于化石燃料,等有问题不容易提取,污染,限制在一个特定的地理区域(4- - - - - -6]。因此,可再生能源的使用(重新)对未来能源的可持续性至关重要和全球安全(7- - - - - -9]。可再生能源,由于他们的可变性和间歇性的本质,需要能够管理大型储能系统供应和需求(10- - - - - -12]。一个好主意,这是一个具有成本效益的解决方案存储、运输、和出口大型再保险,是储存氢动力能源(13- - - - - -15]。

每个单元所产生的热氢的质量是3倍的汽油。此外,在氢气燃烧,只会产生水蒸气。因此,氢能源是未来能源需求的一个合适的解决方案,由于化石燃料的环境问题(16]。

可再生能源制氢的一个经济评价是非常重要的对于评估选择的类型的耐用性和可行性技术。在这方面,第一步是检查潜在的可再生能源制氢在研究网站。

1.2。制氢的角度

据报道,2013年全球氢的需求是2553亿米³,2020年将达到3428亿³(17]。如果氢经济好转,应该在2030年吸引约700亿美元的投资。它还指出,从可再生能源的生产和分销成本氢将在未来十年减少50%18]。还指出,氢可以满足10%的全球变暖的需求的建筑在2050年(19]。

如图1分享的能力在伊朗的电力,2020年4月与63年发电厂、太阳能与44%的最大份额在所有可再生能源在伊朗的电力生产20.]。因此,本研究的重点为研究可再生能源的前景在伊朗是太阳能制氢。

1.3。生产氢的不同方式

今天,大多数的氢气(超过90%)是来自煤和天然气等化石燃料,氢被认为是灰色,并没有减少有限公司₂排放(21]。各种清洁制氢技术在图所示2(21]。如图所示,本研究考察了电解过程中产生的氢气使用太阳能。换句话说,材料,方法,和能源使用的用黄色标记在图工作2。

电解水的过程中把水分解成氢和氧,这是由电流引起的。今天,世界上约4%的氢是由电解。经济、绿色生产氢气的成本是1.5 - 5倍生产氢天然气但电解的价格降低50%,同时减少稀土的价格,绿色氢最终将成为经济和被提升18]。制氢技术的价格范围基于能量来源如图3(21]。基于图的结果3从太阳能氢生产,价格每公斤3.41美元-16.01 (21]。根据作者的研究工作,其原因广泛可以辐射强度的差异,云指数、空气温度、不同的太阳能电池技术的价格范围宽,等等,在世界的不同部分。尽管价格高,太阳能是最丰富的和可用的类型的,这使得它很可能选择未来的氢(22]。

不同来源的制氢的性能排名图所示4(23]。可以看到,太阳能具有最佳性能的社会、环境、和可靠性性能在不同类型的再保险。同样,在经济效益方面,太阳能仅次于水电能源。在技术性能方面,核能和风能,太阳能在第三的位置。

1.4。不同用途的氢

减少碳和脱碳作用用于运输和发电行业的目标之一是氢从各种能源18]。如图5,氢可以促进电力和建筑之间的联系,交通和工业(24]。氢气从化石燃料,广泛应用于一些工业领域如炼油厂、氨生产和化学技术可以被可再生氢取代。在家庭领域,注射氢进入气网络可以减少天然气消费。此外,多余的电能可以转化成氢和用作热冬天(24]。在交通运输领域,基于燃料电池汽车(FCs)消耗氢被认为是由于他们的低碳生产。最重要的是,在这方面,由于能力有限的电池很长的距离,FC-based汽车市场非常可扩展的(24]。

1.5。电解技术在伊朗

电解技术分类是基于使用的电解质电解电池(25]。质子交换膜(PEM)电解是更常见的在伊朗和用于运输、家用发电机,小型发电厂26),最大的潜力在伊朗市场为便携式应用程序27]。PEM-type电解后,碱性电解液体电解质广泛用于伊朗因其处理效率高。然而,由于电解液泄漏的可能性,它不用于运输,它的使用是有限的军事工业和小空间应用程序(28]。

1.6。文献综述

为了实现经济充分发展氢和氢转变成能源市场的一个重要元素,广泛进行了大量研究的潜在可再生氢生产在世界的各个部分。表1在伊朗展示了最近的研究的文献综述。

1.7。新奇事物的工作

根据文献综述在伊朗工作,到目前为止,所有的研究案例研究和被限制在一个特定的城市或省份。鉴于氢的重要作用在未来的全球能源组合,需要做全面的工作找到所有站在伊朗的潜力。同时,找到最合适的太阳能氢站可以帮助伊朗能源政策制定者。另外,大多数的作品做纯粹是潜在的评估,和技术经济优化还没有完成。因此,在目前的工作中,第一次,可能从102年的水电解制氢站在伊朗home-scale被评估。电解水的可再生电力生产成本计算考虑设备的最新的价格以及实际年利率,和结果的形式提出了GIS地图为便于决策。

2。在研究中站

总共102个车站已经评估,评估潜在的太阳能发电和氢在伊朗。选择这些站的原因是20年平均气候数据的可用性在美国宇航局的网站上。研究下站在伊朗的位置地图,他们的年平均气候数据,即。,太阳辐射强度和空气清洁度指数,如图6(一)和6 (b),分别。太阳辐射数据和空气清洁度索引将被用作输入到荷马软件执行技术经济计算。

3所示。软件和数据使用

荷马和ArcGIS软件用于本研究的分析。荷马软件是用来发现太阳能电池所产生的电力,以及ArcGIS软件是用于显示合适和不合适的地方使用太阳能。

3.1。太阳能发电

荷马软件使用下列方程的太阳能发电(47]: 在哪里是光伏电池的额定容量千瓦,是降额因子,是太阳辐射碰撞与PV操作条件下的表面用千瓦/ m²,是表面的太阳辐射碰撞在标准试验条件下和等于1千瓦/ m²,从光伏输出功率千瓦。

在目前使用的太阳能电池工作,寿命为20年48),降额因子为90% (49),太阳能电池的角度等于正在研究站点的纬度(50),太阳能电池的方向是南方(51),和地面反射系数是20% (52]。购买和更换的太阳能电池的成本是每千瓦3200美元和3000美元,分别为(53]。另外,太阳能电池的年度运营和维护成本,这主要包括清洁和可以通过运营商本身被认为是零(54]。

荷马软件计算出空气清洁度指数( ),这是一个非常重要的、最具影响力的太阳能电池的性能参数由以下方程(55]: 在哪里每月平均每日辐照在水平面在地球表面和是外星的每月平均每日价值辐射能量水平面下降。给软件作为输入,软件计算的价值使用由以下方程[纬度和55]: 在哪里是外星辐射Mj / m²天的时间,是太阳常数等于0.082 Mj / m²分钟,日是逆相关距离,今年是天的数量,日落时角的弧度,纬度的弧度,是太阳赤纬的弧度。

荷马软件包括确定LCOE经济计算参数由下列方程(56]: 在哪里年度成本之和,成本系统的实际电力负荷千瓦时/年。

3.2。公共电力生产

水电解需要外部能量载体进行分离氧气和氢气的过程。在能源载体的类型中,太阳能是主要和合理的能源之一57]。计算潜在的太阳能制氢在不同站位于八气候的伊朗(冷,很冷,温和的和多雨的,semimoderate和多雨的,半干旱,炎热和干燥,非常炎热和干燥,而且非常炎热和潮湿),生成的太阳能(的数量 )首先计算了荷马软件(方程(1))。然后,使用一个分析分析根据方程(8),每年产生的氢气每千瓦的太阳能电池用于发电估计(58]。同时,由于效率高、条件在伊朗市场,平均寿命越长(59),所需的类型的技术工作是PEM水电解的礼物。

在上面的关系,是电解槽效率的百分比,它被认为是75%在目前的工作,然后呢氢的高热值,39.4千瓦时/公斤。

3.3。评估领域的GIS地图

通过收集并结合GIS技术从传统数据库信息提供了地图信息通过说明和使用地理分析做准备。这些信息是用来制造事件清晰,预测结果,绘制地图(60]。

使用空间数据插值方法之间的关系增加潜力估算辐射不同地区的准确性。在摘要中,逆距离权重(IDW)内部化方法使用。计算IDW取决于两个因素:选择的力量在公式 和相邻的点的位置,或者换句话说,邻近单位的位置。的默认值被认为是2,这个值,方法的名称是反距离平方加权(61年]。如图7窗口包含一个列表,重量的重量给每个点用来预测一个值在目标位置。IDW方法,点最接近期望位置重量超过最远的点,和重量随距离增加而减小。

4所示。结果

表2显示了研究的结果。可以看到,Jask站的LCOE 0.172美元,最低0.286美元,最高达勒布价格生产的太阳能发电每千瓦时,分别。布什尔和Deyr站LCOE最低0.178美元在第二位的值,和Anzali站0.271美元的第二位LCOE最大价值。的平均LCOE研究站着102 0.206美元。

据表的结果2最高和最低操作小时的太阳能电池在4399年和4348年的年值相关袭Khash站,分别。另外,太阳能电池的平均运行小时研究下站是4382。为什么太阳能电池的最大和最小的操作时间不对应于最高及最低的太阳能发电,因此最高和最低LCOE值可以是由于空气混浊和辐射强度等因素。

据表的结果2,Jask达勒布站最高和最低容量因子与25.1%和15.1%,分别。能力因素,实际上平均输出功率除以太阳能电池的额定容量,是所有研究下站平均为21.21%。

基于研究结果,可以看出,前三站在太阳能发电领域Jask,布什尔和Deyr站,生产4401、4267年,分别和每年4254千瓦时的电力。基于可再生能源发电厂的位置在伊朗,伊朗(主要在中央的62年),鉴于站顶部生成太阳能发电在南部边缘的国家,需要更多的关注Jask,布什尔,Deyr站。的三个站了至少太阳能发电达勒布,Anzali, Khalkhal,生成的2648年,2792年,和每年2838千瓦时的电力。原因低生产可以气候因素如高混浊和低辐射强度。结果显示,在接受调查的102个车站将太阳能产生每年380兆瓦,每个站的平均每年约为3.7兆瓦。这个结果可以为决策者和政策制定者非常重要领域的分布式发电,因为到目前为止没有全面的工作已经完成,评估在伊朗生产的太阳能发电。

结果显示,Jask站的年生产83.8公斤的氢能够获得第一排在氢的生产规模。制氢的最低水平50.4公斤每年达勒布有关。其他高级站制氢领域的布什尔和Deyr,和其他不适合站制氢领域的Anzali Khalkhal。根据统计计算,生产氢的总量研究下站是每年7.2吨,每站生产每年平均70.8公斤的氢。为了更好地评估和理解找到适合和不适合的地方home-scale制氢在伊朗,伊朗的制氢地图已经使用GIS软件在图绘制8。基于图8,很明显,伊朗的南部,特别是沿海地区的波斯湾和阿曼湾,适用于制氢、北部,东北,西北,伊朗南部的一个地区不适合制氢。

5。结论

氢可以成为一个重要的介质来存储重新成为清洁电力。换句话说,通过使用氢气,可以有效地存储和长距离传输,在很长一段时间23]。因此,氢是一个重要的元素成为100% RE系统和消除全球变暖的现象。因为它是非常重要的对于决策者和政策制定者在分布式发电领域的了解潜在的电力和氢生产规模,在目前的工作中,这一问题在伊朗首次研究了。技术经济已由荷马软件调查平均20年102站在伊朗的辐射数据。最后,对于更好地理解,ArcGIS软件提供了一个home-scale氢生产潜力的地图。主要结果如下:(我)Jask LCOE的0.172美元,最低0.286美元,最高达勒布价格生产的太阳能发电每千瓦时,分别(2)的平均LCOE研究站着102 0.206美元(3)Jask和达勒布站最高和最低利用率为25.1%和15.1%,分别(iv)研究下的平均利用率为21.21%(v)前三站在太阳能发电领域Jask,布什尔和Deyr站,生产4401、4267年,分别和每年4254千瓦时的电力(vi)的三个站了至少太阳能发电达勒布,Anzali, Khalkhal,生成的2648年,2792年,和每年2838千瓦时的电力(七)总太阳能产生每年102 380兆瓦研究站下(八)Jask与生产83.8公斤/年第一排在氢的生产(第九)制氢的最低水平50.4公斤/年达勒布有关(x)生产氢的总量在研究站为7.2吨/年(十一)伊朗的南部,尤其是波斯湾和阿曼海的海岸,适用于制氢、北部,东北,西北,伊朗南部的一个地区不适合制氢

命名法

再保险:	可再生能源
PEM:	质子交换膜
舰队指挥官:	燃料电池
PV:	光伏
全国人大:	现在净成本($)
LCOE:	逐步降低能源成本(美元/千瓦时)
DEA:	数据包络分析
地理信息系统:	地理信息系统
IDW:	逆距离权重
:	光伏电池的输出功率(千瓦)
:	在标准条件下太阳能电池的输出功率(千瓦)
:	降额因子(%)
:	细胞表面的入射辐射每月(千瓦/ m2)
:	细胞表面的入射辐射在标准条件下(1千瓦/ m2)
:	晴朗指数(-)
:	日落时角(弧度)
:	氢的质量(公斤/年)
:	太阳常数(0.082 MJ / m2分钟)
:	电解槽效率(%)
:	外星辐射(MJ / m2天的时间)
φ:	纬度(弧度)
:	相对距离倒数日
:	去年的数量(-)
:	年度总成本($)
:	实际电力负荷由系统(千瓦时/年)
δ:	太阳赤纬(弧度)
:	每月平均每日辐射在一个水平面(MJ / m2天的时间)
:	高热值的氢(39.4千瓦时/公斤)。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢所有的组织,为这项工作提供了数据。