乳制品工业脱碳的氢能利用路径：帕马森干酪生产系统的技术经济情景分析

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《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen utilization for decarbonizing the dairy industry: A techno-economic scenario analysis

【字体：大中小】 时间：2025年11月02日 来源：International Journal of Hydrogen Energy 8.3

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　　本研究针对乳制品工业热工过程脱碳难题，探讨了利用现场光伏电解制取绿氢替代甲烷用于蒸汽锅炉的技术经济可行性。研究人员以意大利帕马森干酪生产为案例，构建了涵盖光伏发电、电解制氢、储存压缩及锅炉混燃的完整系统模型，并采用蒙特卡洛模拟进行多情景分析。结果表明，尽管在15年周期内所有情景的净现值均为负值，但通过公共资金支持可实现每欧元投入减排1.58-2.14 kg CO2eq的环境效益，为高耗能食品工业的低碳转型提供了量化依据。

在全球碳中和的浪潮中，乳制品工业作为碳排放的重要来源之一，其热工过程的脱碳路径亟待探索。据统计，乳制品行业贡献了全球约4%的人为温室气体排放，其中奶酪生产更是能源消耗大户。以意大利著名的帕马森干酪为例，每生产一个奶酪轮就需要约66 kWh的热能，传统上这些热能主要来自甲烷燃烧，导致大量二氧化碳排放。面对这一挑战，绿色氢能因其燃烧时零碳排放的特性，被视为替代化石燃料的理想选择。然而，将绿氢应用于食品工业热工过程仍面临技术集成复杂、经济性不明朗等多重障碍。

为系统评估氢能在乳制品工业的应用潜力，意大利摩德纳雷焦艾米利亚大学工程系的Marco Puglia等研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》上发表了题为"Hydrogen utilization for decarbonizing the dairy industry: A techno-economic scenario analysis"的研究论文。该研究创新性地构建了一个从太阳能光伏发电到氢能终端利用的全链条模型，重点分析了不同氢-甲烷混合比例、光伏系统配置和储氢压力等多种情景下的技术可行性和经济性。

研究人员采用的技术方法主要包括：基于现场调研确定典型奶酪厂的年度热负荷需求（1.98 GWh/年）；利用系统顾问模型（SAM）模拟不同倾角和方位角的光伏系统发电性能；建立碱性电解槽数学模型计算制氢效率；设计季节性储能和日常储能两种运营策略；并运用蒙特卡洛模拟方法对关键经济参数进行不确定性分析。

在研究结果方面，组件尺寸分析显示，系统规模高度依赖于氢能混合比例（f）。当氢体积分数从20%增至100%时，光伏板需求从428块激增至7840块，电解槽功率从130 kW升至1872 kW，储氢容量也呈现数量级增长。特别是储氢压力选择对系统体积影响显著，30 bar压力下的储氢容器体积比350 bar系统大10倍左右。

经济评估结果更为引人深思。在所有48种情景分析中，15年内的净现值（NPV）均为负值，表明单靠节约甲烷的收益难以覆盖氢能系统的高额初始投资。最佳经济性出现在氢占比20%且采用季节性储能的场景，其平均NPV为-213,265欧元，而完全使用氢能的方案经济性最差，NPV低至-294万欧元。敏感性分析表明，甲烷价格波动对项目经济性影响显著，当甲烷通胀率从2.5%升至10%时，NPV可改善约30%。

研究还提出了最小公共资助率（PFR）的概念，发现需要约70%的初始投资补贴才能使项目达到盈亏平衡。从环保效益角度看，每欧元公共资金投入可实现的碳减排量（ESPS）在1.58-2.14 kg CO_2eq/€之间，为政策制定提供了重要参考。

该研究的结论部分强调，虽然氢能技术在乳制品工业脱碳方面展现出明确的环境效益，但其经济可行性仍高度依赖政策支持和技术成本下降。季节性储能策略在低氢混合比例场景下具有相对优势，而高比例氢能应用则需要更大的技术突破和成本优化。值得注意的是，纯氢供应系统的运行风险也需要重点关注，在奶酪生产这种连续性要求高的工业过程中，能源供应的稳定性至关重要。

这项研究的意义在于首次对乳制品工业的氢能利用进行了端到端的系统分析，为食品工业的低碳转型提供了详实的决策参考。尽管当前氢能系统的经济性仍面临挑战，但随着可再生能源成本下降和碳定价机制完善，氢能必将在工业脱碳进程中扮演越来越重要的角色。未来的研究可进一步探索氢能与其他低碳技术（如热泵、生物质能）的协同优化，以及不同地理区域和生产规模下的适用性差异。

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