对化石燃料的依赖不断增加，导致了全球性的挑战，特别是二氧化碳排放量的上升、气候变化以及传统能源资源的枯竭。随着人口增长和生活水平的提高，对能源安全和环境可持续性的关注也在加剧。预测表明，在未来二十年里，全球能源需求可能增加近48%，而化石燃料的生产预计很快将达到峰值[1,2]。因此，向清洁和可再生能源系统的转型对于实现《巴黎协定》中规定的气候目标至关重要[3]。包括太阳能、风能、地热能、水力能和海洋能在内的可再生能源被广泛认为是环保且可持续的替代方案，能够减少温室气体排放[4,5]。
在新兴的能源载体中，氢气因其高燃烧效率、无碳利用以及在发电、工业过程和运输领域的多功能性而受到越来越多的关注[6,7]。尽管有这些优势，目前大多数氢气的生产仍然依赖于基于化石燃料的方法，如蒸汽甲烷重整，这大大增加了全球碳排放[8]。2020年，全球氢气需求达到了约90百万吨，其中大部分是通过碳密集型工艺生产的[2,9]。氢气主要应用于石油精炼、石化产品、燃料电池和工业领域[9,10]。因此，通过可持续途径生产氢气对于实现低碳能源未来至关重要。
由可再生能源驱动的水电解被认为是生产绿色氢气最有前途的方法之一，因为它可以实现零直接排放[9,11]。在电解技术中，质子交换膜（PEM）电解具有多个优点，包括高效率、快速动态响应、操作灵活性以及能够生产高纯度氢气[11,12]。氢气可以使用来自太阳能、风能、水力能和地热能等各种可再生能源的电力来生产[6,13]。然而，阻碍大规模氢气应用的主要挑战是可靠且高效的可再生能源供应的可用性[6]。因此，当前的研究重点在于提高电解槽的性能，并整合互补的可再生能源系统，以增强氢气的生产效率和可持续性[9],[14],[15]。
地热能是一种特别有吸引力的可再生能源，因为它具有稳定且连续的热输出。它被广泛用于发电、空间加热、冷却、氢气生产、海水淡化和农业应用[6]。高温地热资源适用于发电，而中温和低温资源则常用于供暖和工业过程[16]。在氢气生产的背景下，基于地热的发电与水电解相结合，为间歇性可再生能源提供了一种可靠的替代方案[17,18]。许多研究已经探讨了结合PEM电解槽的地热驱动系统，展示了其在联合发电和氢气生产方面的技术可行性和潜在的效率提升[[19],[20],[21]]。Fan等人[19]对一种用于发电和氢气生产的闪蒸-二元地热系统进行了全面的热力学分析和经济优化研究。他们使用了双压力有机朗肯循环中的共沸混合物，并采用多目标遗传算法来提高系统性能，实现了优化的能量和熵效率，以及改进的氢气生产和经济效益。最佳结果是使用戊烷（0.467）/丁烷（0.533）混合物，获得了16.67%的能量效率、58.14%的熵效率和0.37公斤/小时的氢气产量。Yılmaz等人[20]研究了一种集成的双闪蒸-二元地热系统，用于生产氢气、电力、供暖和干燥。该系统包括蒸汽轮机、超临界二氧化碳朗肯循环、PEM电解槽、家用热水器和干燥机。研究结果表明，该系统产生了4.431兆瓦的电力和0.006809公斤/小时的氢气产量，能量效率和熵效率分别为26.20%和37.49%。这些发现证实了通过将多种技术与地热能结合来提高系统性能的潜力。Li等人[21]开发了一种结合PEM电解槽的地热发电系统。该系统包含一个自过热器以提高氢气产量。通过热力学建模和参数分析，最佳运行条件下产生了25.48公斤/小时的氢气，环境破坏指数（EDI）为0.00645。这项研究展示了高效且环保的氢气生产的潜力。
虽然地热能提供了稳定的能源供应，但其与太阳能的结合可以进一步提高系统性能。尽管太阳能具有间歇性，但它提供了高的能量潜力，并可以有效补充基于地热的系统[22,23]。特别是，结合了真空管太阳能集热器（ETSCs）和抛物槽太阳能集热器（PTSCs）等太阳能热技术的有机朗肯循环（ORC）系统已被广泛研究，用于多联产应用，包括发电和氢气生产[24],[25],[26],[27],[28]。先前的研究表明，在有利的运行条件下，混合太阳能-地热ORC系统可以显著提高发电能力和氢气产量[[27],[28],[29],[30],[31]]。Atiz等人[27]研究了一种结合真空管和抛物槽太阳能集热器的太阳能-地热集成系统，将地热流体温度从403.15 K提高到596.75 K，以运行闪蒸涡轮机和ORC。他们的系统在8月份产生2111.04 MJ的电力、162公斤的热水和1.215公斤的氢气。整体能量和熵效率分别为10.43%和9.35%，展示了通过有效整合提高可再生能源利用的潜力。Karapekmez和Dincer[29]开发了一种结合AMIS技术的集成太阳能-地热多联产系统，用于减少硫化氢并生产氢气。该系统在最佳运行条件下提供了电力、供暖、空气干燥、生活热水和氢气，整体能量和熵效率分别达到了82%和68%。研究发现，将地热蒸汽的入口质量流量增加到约200公斤/秒可以提高效率，而较高的环境温度则降低了熵效率，从大约57%降至49%。随着不可凝气体浓度的增加，氢气产量显著提高，在21%的硫化氢含量和120公斤/秒的流体流量下，氢气产量达到了156公斤/秒，展示了系统将地热排放转化为有价值能源的能力。Sen等人[30]提出了一种结合二元地热发电厂和抛物槽太阳能发电厂的集成系统，与水电解和燃料电池结合用于氢气生产和储存。他们的分析表明，该系统可以产生总共2.9兆瓦的电力（其中2.693兆瓦来自403.15 K（85公斤/秒流量）的地热源，0.207兆瓦来自太阳能）。利用这些电力生产氢气，该系统可以产生0.0185公斤/秒的氢气，随后可以通过燃料电池产生1.615兆瓦的电力。基准情况下的能量和熵效率分别为5.9%和19.0%，在较高的地热温度和太阳辐射下观察到性能提升。Liu等人[31]开发了一种结合氢气生产的地热-太阳能ORC系统。该系统在中午时产生高达1.254兆瓦的电力，能量效率在11.1%到17.7%之间。将地热温度从363.15 K提高到393.15 K后，每日氢气产量从28.71公斤增加到306.24公斤，较高的太阳辐射也提高了氢气产量。该系统有效地满足了电力和氢气的需求，展示了实际潜力。
尽管关于太阳能-地热ORC系统用于氢气生产的文献越来越多，但大多数现有研究主要报告特定案例的性能指标或仅关注有限的运行条件，而没有提供系统热力行为的系统评估。相比之下，本研究的新颖之处不仅在于混合集成本身，还在于采用了全面和结构化的评估框架。与之前的工作[[19],[20],[21],[27],[29],[30],[31]]不同，本研究在广泛的运行参数范围内，使用一致的能量和熵公式，对完全耦合的太阳能-地热ORC-PEM电解槽系统进行了研究。进行了详细的组件级标准化熵破坏分析，以识别主要的不可逆性来源及其对太阳辐射强度、地热井温度和工作流体选择的敏感性。此外，还对所提出的系统应用了基于熵的田口优化方法，从而能够确定稳健的最佳运行条件，而不仅仅是点态最优解。这种综合方法提供了比以往报道的混合ORC基氢气生产研究更深入的热力学洞察和更清晰的设计指导。
