مدل‌سازی و ارزیابی فنی- اقتصادی عملکرد سیستم هیبریدی فتوولتائیک-الکترولایزر غشا تبادل پروتون برای تولید هیدروژن سبز: مطالعۀ موردی در شمال ایران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی و فناوری، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران

چکیده

این مقاله به مدل‌سازی و بررسی عملکرد فنی و اقتصادی سامانۀ هیبریدی پنل فتوولتائیک و الکترولایزر غشا تبادل پروتون برای تولید هیدروژن در شرایط آب‌وهوایی استان مازندران می‌پردازد. مدل‌سازی ریاضی پنل فتوولتائیک براساس مدل پنج‌پارامتری و الکترولایزر با استفاده از منحنی ولتاژ - جریان حاصل از برازش داده‌های تجربی انجام شده است. داده‌های تابش خورشیدی و دمای شهرستان قائم‌شهر به‌عنوان ورودی مدل استفاده شده و عملکرد سامانه در مقیاس روزانه و فصلی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که هر ۱۰ درصد افزایش در تابش، حدود 10 درصد افزایش در تولید هیدروژن به همراه دارد. با افزایش دما از 5 تا 40 درجۀ سانتی‌گراد، نرخ تولید هیدروژن کمتر از 2 درصد افزایش یافت که نشان می‌دهد تأثیر قابل‌ توجهی بر عملکرد سیستم ندارد. درحالی‌که دماهای بالاتر راندمان پنل را کاهش می‌دهند، رسانایی الکترولیت را در الکترولایزر بهبود می‌بخشند. تحلیل تطبیق الکتریکی نشان داد که در اتصال مستقیم، نقطۀ کار سامانه در اغلب شرایط اقلیمی در نزدیکی نقطه بیشینه توان پنل فتوولتائیک قرار دارد. تحلیل اقتصادی اجرای یک سامانۀ ۵ کیلوواتی در استان مازندران نشان داد پروژه ازنظر اقتصادی قابل توجیه است. همچنین با افزایش قیمت هیدروژن، دورۀ بازگشت سرمایه به‌طور قابل‌ توجهی کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Mraoui, A., Benyoucef, B., Hassaine, L. "Experiment and simulation of electrolytic hydrogen production: case study of photovoltaic-electrolyzer direct connection", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 43, No. 6, pp. 3441-3450, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.035
[2] Blal, M., Belasri, A., Benatillah, A., Hamouda, M., Lachtar, S., Sahouane, N., Laribi, S., Mostefaoui, M. "Assessment of solar and wind energy as motive for potential hydrogen production of Algeria country; development of a methodology for uses hydrogen-based fuel cells", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 43, No. 19, pp. 9192-9210, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.03.200
[3] Parra, D., Swierczynski, M., Stroe, D. I., Norman, S. A., Abdon, A., Worlitschek, J., O’Doherty, T., Rodrigues, L., Gillott, M., Zhang, X., Bauer, C., Patel, M. K. "An interdisciplinary review of energy storage for communities: Challenges and perspectives", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 79, pp. 730-749, 2019, https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.003
[4] Maya, J. C., Chejne, F., Gomez, C. A., Montoya, J., Chaquea, H., Pecha, B. "Analysis of the performance of a PEM-type electrolyzer in variable energy supply conditions", Chemical Engineering Research and Design, Vol. 196, pp. 526-541, 2023, https://doi.org/10.1016/j.cherd.2023.07.002
[5] Zeng, K., Zhang, D. "Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications", Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 36, No. 3, pp. 307-326, 2010, https://doi.org/10.1016/j.pecs.2009.11.002
[6] Van, L. P., Hoang, L. H., Duc, T. N. "A comprehensive review of direct coupled photovoltaic-electrolyser system: Sizing techniques, operating strategies, research progress, current challenges, and future recommendations", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 48, No. 65, pp. 25231-25249, 2023, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.257
[7] Di Caro, A., Vitale, G. "Direct-coupled improvement of a solar-powered proton exchange membrane electrolyzer by a reconfigurable source", Clean Technologies, Vol. 6, No. 3, pp. 1203-1228, 2024, https://doi.org/10.3390/cleantechnol6030059
[8] Said, Z. S., Islam, S. Z., Radzi, N. H., Wekesa, C. W., Altimania, M., Uddin, J. "Dust impact on solar PV performance: A critical review of optimal cleaning techniques for yield enhancement across varied environmental conditions", Energy Reports, Vol. 12, pp. 1121-1141, 2024, https://doi.org/10.1016/j.egyr.2024.06.024
[9] Ghosh, A. "Solar-powered green hydrogen from electrolyzer (PV-H2): a review", Solar RRL, Vol. 9, Art. No. 202500150, 2025, https://doi.org/10.1002/solr.202500150
[10] Jing, K., Liu, C. "Online observer of the voltage components of the PEM electrolyzer based on the time-varying linearization of the semi-empirical model", Energy Reports, Vol. 9, pp. 299-307, 2023, https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.04.096
[11] De Soto, W., Klein, S. A., Beckman, W. A. "Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance", Solar Energy, Vol. 80, No. 1, pp. 78-88, 2006, https://doi.org/10.1016/j.solener.2005.06.010
[12] Awasthi, A., Scott, K., Basu, S. "Dynamic modeling and simulation of a proton exchange membrane electrolyzer for hydrogen production", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, No. 22, pp. 14779-14786, 2011, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.03.045
[13] Carmo, M., Fritz, D. L., Mergel, J., Stolten, D. "A comprehensive review on PEM water electrolysis", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 38, No. 12, pp. 4901-4934, 2013, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.01.151
[14] Tani, T., Sekiguchi, N., Sakai, M., Ohta, D. "Optimization of solar hydrogen systems based on hydrogen production cost", Solar Energy, Vol. 68, No. 2, pp. 143-149, 2000, https://doi.org/10.1016/S0038-092X(99)00061-4
[15] Brealey, R. A., Myers, S. C., Allen, F. Principles of Corporate Finance, 13th ed., New York, NY, USA: McGraw-Hill Education, 2020.
[16] Sullivan, W. G., Wicks, E. M., Luxhoj, J. T. Engineering Economy, 13th ed., Upper Saddle River, NJ, USA: Prentice Hall, 2003.
[17] Berk, J., DeMarzo, P., Harford, J., Ford, G., Mollica, V., Finch, N. Fundamentals of Corporate Finance, 3rd ed., Frenchs Forest, NSW, Australia, 2013.
[18] Pike, R., Neale, B. Corporate Finance and Investment: Decisions & Strategies, 7th ed., Harlow, Essex, UK, 2006.
[19] Lee, J. M., Lee, S. H., Baik, J. H., Park, K. "Techno-economic analysis of hydrogen production electrically coupled to a hybrid desalination process", Desalination, Vol. 539, p. 115949, 2022, https://doi.org/10.1016/j.desal.2022.115949
[20] Borgonovo, E., Plischke, E. "Sensitivity analysis: A review of recent advances", European Journal of Operational Research, Vol. 248, No. 3, pp. 869-887, 2016, https://doi.org/10.1016/j.ejor.2015.06.032