面向沙特钢铁工业脱碳的绿色氢能系统四重优化框架设计与多维度可持续性评估

本文提出了一种四重优化框架（QOF），用于评估绿色氢能系统（GH2ES）在钢铁工业脱碳中的综合性能。研究通过经济成本（TNPC、LCOH）、能源可靠性（CSF）、环境影响（GHG-emissions）和就业创造（JC）等多维度指标，对沙特Al-Jubail某钢铁厂案例进行优化分析。结果表明，最优系统配置可实现33.86M美元总净现值成本（TNPC）、4.72美元/kg氢平准化成本（LCOH）及95.13%温室气体（GHG）减排，并创造95个就业岗位。敏感性分析进一步揭示，电解槽（ELZr）效率提升与风光技术成本下降可将LCOH降至3.46美元/kg，凸显该系统在沙特2030愿景下的政策可行性。

　　

Highlight

本研究亮点在于提出了一种创新的四重优化框架（Quadruple Optimization Framework, QOF），专为工业级绿色氢能系统（Green Hydrogen Energy Systems, GH2ES）量身打造。该框架巧妙融合了四大可持续性维度——经济可行性、能源可靠性、环境绩效和就业生成，通过分层优化策略（以总净现值成本TNPC为核心目标）和全面的优化后权衡分析，为复杂能源系统设计提供了多标准决策支持。

系统架构

图3展示了为钢铁应用量身定制的基于GH2的微电网系统架构。来自风力发电机（WT）和光伏（PV）的可再生能源为电解槽（ELZr）供电，通过水电解产生氢气。氢气随后被压缩、储存，并用于钢铁制造过程。或者，它可以通过燃料电池（FC）转化为电能，配合锅炉满足工厂的热能需求。在可再生能源严重不足时期，公用电网作为微电网的主要备用电源。该微电网设计具备向电网售电的能力，从而创造额外收入流。

案例研究

本研究以沙特阿拉伯Al-Jubail第二工业区（27°16’N, 49°33.2’E）的一家钢铁厂作为案例研究对象（图6-a）。研究地点全年拥有丰富的太阳能和风能资源潜力，这由美国国家航空航天局（NASA）数据库提取的太阳辐照度和风速活动数据所证实[77]。图6-b展示了一年中风能资源参数的每小时变化。研究地点的年平均风速约为4.5米/秒，年平均日太阳辐射约为5.5千瓦时/平方米/天，表明其非常适合太阳能和风能发电。

结果与讨论

本节呈现并评估了GH2ES四重优化框架（QOF）研究的关键成果。研究结果揭示了显著的趋势，特别是在组件规模、系统总净现值成本（TNPC）、平准化能源成本（LCOE）、平准化氢成本（LCOH）、就业创造（JC）和温室气体（GHG）排放方面，凸显了所提出框架在评估能源系统多层面性能方面的有效性，以及实现成本效益高且清洁的能源项目的迫切需求。根据设计优化，共模拟了379,266种方案，其中164,648种被认定为可行方案。最终的最优配置是通过详细的优化后分析选出的，该分析平衡了所有四个可持续性维度。

结论

本研究介绍了一种用于工业应用中绿色氢能系统（GH2ES）设计和评估的四重优化框架（QOF），并以沙特阿拉伯的一家典型钢铁厂作为案例研究。所提出的方法整合了光伏（PV）、风力发电（WT）和氢能技术的混合配置，以同时优化系统可靠性、经济回报、环境效益和就业创造（JC）。这项工作的主要成果总结如下：

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  所提出的GH2ES表现出卓越的效率和可持续性绩效。