将氢整合入电力系统规划的线性规划模型

为什么把阳光变成氢很重要

许多国家都在寻找既能保障电力供应、又能降低碳排放并支持耗能行业的方法。阿拉伯联合酋长国（阿联酋）阳光充足、用电量增长，并雄心勃勃希望成为全球清洁氢气的枢纽。本研究提出了一个简单但至关重要的问题：如果阿联酋从头重设计其2030年的电力系统，需要多少太阳能、天然气、核能、蓄电池和氢储存，既在经济上合理又在环境上可取？

为未来能源拼图做设计

研究人员构建了一个详尽的计算模型，按小时模拟阿联酋整个电力和氢气系统，覆盖全年。与改良现有基础设施不同，他们采用了“绿地”方法：模型可以自由选择在满足2030年两个目标（约203太瓦时电力和每年140万吨氢气）的前提下成本最低的技术组合。模型可以投资四种发电方式（太阳能电池板、风力涡轮机、核反应堆和高效天然气机组）以及两种储能方式（锂离子电池和地下氢气储存）。它还包含氢能链的核心环节：利用电力电解水制氢的电解槽、用于储存氢气的地下洞穴，以及可将储存氢气再转化为电力的燃料电池。

数字化电力系统如何做出选择

为了决定建设什么以及如何运行，模型采用线性规划——一种常用于物流和金融的数学方法。它最小化年度总成本，包括建设、运营、燃料，甚至对碳排放的价格。模型在每小时都必须平衡电力供需，同时追踪氢气的生产、储存和消耗流向。它使用用于太阳能和风能的真实气象数据、以空调为主导的现实小时用电形状，以及针对钢铁、航运和炼厂等行业的合成但一致的氢气需求模式。除了成本外，模型还追踪每种技术的生命周期排放，从设备建造到燃气燃烧的全过程。

最便宜的低碳系统是什么样

到2030年的成本最优解呈现出清晰结构。太阳能被推高到国家规划上限，装机容量达到19.8吉瓦。核能主要作为稳定的基荷来源运行，接近现有巴拉卡（Barakah）电站的满负荷能力。天然气电厂仍发挥重要作用，提供超过50吉瓦的灵活容量，在日落或需求高峰时提升出力。在氢能方面，模型建设了大型电解槽——约10.4吉瓦——将过剩电力转化为氢气，并配置非常大的地下氢气储存，相当于大约1.3太瓦时的能量。该配置使系统能够将每一单位发电量直接或通过氢能间接利用，几乎没有能量浪费。然而在当前成本假设下，在国家层面建设额外电池或燃料电池并不经济。

成本、碳排放以及真正驱动结果的因素

在这种配置下，模型发现电力的平均供应成本约为每千瓦时6.5美分，氢气约为每公斤2.56美元——在全球绿色氢气竞赛中具有竞争力。然而系统每年仍排放约1.24亿吨二氧化碳当量，主要来自天然气发电厂。敏感性分析表明，政策和燃料价格比太阳能板或电解槽的标价更为重要。每吨100美元的碳税会将系统总成本提高近三分之二，而天然气价格波动50%会使成本大约上下浮动四分之一。相比之下，将太阳能或电解槽的资本成本减半几乎不会改变总系统成本，因为模型已经在可行限制内尽可能多地使用了这些技术。

这对公众与决策者意味着什么

对于能源建模之外的读者，结论很直接。在像阿联酋这样阳光充足但缺水的国家，大型太阳能电场、稳定的核电和灵活的燃气电厂构成了经济可承受系统的骨干。氢气具有双重作用：作为长期能量储存平滑太阳能波动，并为重工业和运输提供更清洁的燃料。研究表明，在当前价格下，大型氢能设施和地下储存比电池更适合大规模调节，而政策工具如碳定价和天然气价格风险将最终决定系统有多“绿色”以及成本高低。就实际操作而言，加快太阳能和核电建设、维持但清洁化燃气电厂、并及早投资氢能基础设施，可能使阿联酋在不牺牲能源可靠性的情况下削减排放并创造新的出口产业。

引用: Zaiter, I., Sleptchenko, A., Mayyas, A. et al. A linear programming model for power system planning with hydrogen integration. Sci Rep 16, 7120 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35701-4

关键词: 绿色氢气, 能量存储, 太阳能发电, 天然气, 阿联酋能源转型