大型电力转氨电厂的技术经济评估：整合混合储能系统（重力和CAT蓄电池）与先进的日间预报算法

可持续氨将在全球能源转型中发挥关键作用，为传统氨生产方式提供更清洁的替代方案。随着对可再生能源解决方案的日益重视，利用可再生能源优化氨的生产变得越来越重要。然而，对于电力转氨（P-t-A）电厂最有效的配置和能源管理策略，仍存在理解空白。本文重点关注电力转氨（P-t-A）电厂的规模、运行和管理。摩洛哥有三个地区被确定为建设大型氨厂的潜在地点，包括丹吉尔、格尔米姆和达赫拉。本文探讨了能源生产（光伏/风能）与储能系统（电池/重力储能）的混合化，以满足能源需求并实现完全脱离电网的独立性。混合储能系统通过根据电力供应细致管理电厂的充放电，展现了稳定电厂运行的效率。此外，还进行了探索性数据分析，以可视化、理解并利用调查地点的气候数据集。能源生产的一天预测已通过循环神经网络（RNN），特别是门控循环单元（GRU）架构进行。达赫拉地区被确定为最有前景且潜力最高的P-t-A工厂建设地点。已获得680.61美元/吨的有竞争力的LCOA。在能源生产方面，已达到0.012美元/千瓦时的有吸引力的LCOE。预测模型成功捕捉了数据的变化，并提供了准确的当天能源产出估算。

简介

扭转全球变暖影响的窗口正在逐渐关闭，解决持续的气候问题的紧迫性比以往任何时候都更为紧迫。根据2024年在阿塞拜疆举行的COP 29，参与方强调需要强有力的气候融资，以帮助各国实现能源转型。此外，国际碳市场标准也已达成一致[1]。这些国家还承诺减少一氧化碳₂排放并实施促进转型所需的政策[2]。
氢气作为一种优秀的能源载体脱颖而出，受到研究人员和政策制定者的广泛关注[3]。尤其是绿色氢相关技术正在快速发展[4]。缓解气候变化和保护环境的最有前景的两项解决方案是电解槽和碳捕集、封存与利用（CCUS）[5]。电解槽，将水分子分解成氢的电化学装置₂以及 O₂使用电力，且不污染。绿色氢技术的兴趣日益增长，美国和欧洲已考虑大规模生产，且已在中国等部分国家进行[6]。然而，氢气储存仍然是个大挑战，尤其是长期储存。气态氢储存的资本投资通常在每千克时400美元之间₂降至1400美元/千瓦时₂根据尺寸和应用[7]。
氢气的主要衍生物是氨。绿氢和可持续氨的主要区别在于其生产方法和规模化机制。通过水电解制得的绿色氢具有灵活性、适应性，并可应用于多尺度应用[8]。相比之下，可持续氨通过哈伯-博世工艺生产，其适应性和灵活性不及绿色氢。此外，绿色氨仍然是标准化工厂中典型获得的产品[9]。此外，这些挑战促使研究人员提出评估这些系统的解决方案。目标是使其适合可再生能源应用，鉴于风能和太阳能的能源产量波动性[10]。从物流角度看，氨比氢气便宜且易于管理。氨的沸点为−33°C，而氢的沸点为−252.8°C。 这一巨大差异反映了氢液化和运输的复杂性（无论是技术上还是经济上）[11]。
文献中关于功率对氨（P-t-A）概念的标准研究，主要关注最小化氨的平准化成本（LCOA）。大多数研究采用线性稳态模型来评估系统性能并实现成本效益高的配置。这些研究的例子包括Armijo和Philibert[8]、Daoutidis 等[12]和Nayak-Luke等[13]的著作。这些研究考察了不同参数以扩展哈伯-博世工艺的载荷范围。然而，哈伯-博世反应堆的动态行为尚未被充分探索。此外，不确定性对哈伯-博施系统行为的影响尚相对未被充分探讨[14]。Wang 等人[15]，认为这是一个由可再生能源驱动的非线性过程。他们的工作凸显了建造适应控制结构以稳定自热反应堆的必要性。此外，由于可再生能源的波动性，常常无法满足最优稳态条件。
本研究是我们之前工作的延续。摩洛哥选定了多个地点以模拟可持续氨厂，包括丹吉尔、格尔米姆和达赫拉。然而，这项研究揭示了大型绿色氨电厂中储能技术的整合。一种结合重力储能（GES）与电池技术的新型混合系统已被整合，以有效应对储能挑战。本文的新颖之处还在于其全面的探索性数据分析（EDA），以促进对气候条件季节性、变异性和行为的理解。因此，EDA展示了气候条件对能源生产过程的影响。此外，本研究还涉及利用门控循环网络（GRU）进行先进日间能源生成预测，这是一种循环神经网络（RNN）家族中的一种方法。
这项比较技术经济研究聚焦于能源发电与储能系统的混合，旨在提升能源管理，优化电厂运行，降低成本并提高预测准确性。该论文对绿色氨生产的运营和经济方面进行了全面分析。本文的主要贡献包括：

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  绿色氨的比较经济可行性分析。
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  对整个工厂进行深入的优化、规模调整和运行评估。
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  绿色氨电厂中混合储能（GES/电池）的集成。
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  一项全面的探索性数据分析（EDA）。
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  利用先进的深度学习算法进行一天预报。