基于废热回收机制的电-氢-燃料能源系统协同优化与绿色甲醇生产研究

针对电-氢-燃料能源系统能效低、经济性差的挑战，研究人员提出融合废热回收与配置优化的绿色甲醇生产系统，构建甲醇合成-储热罐-电解槽的热能传递链，实现反应热二次利用。结果表明，该策略使氢/甲醇日均产量提升3.66%/7.14%，系统能效和?效分别提高2.65%/2.13%，允许10%可再生能源弃电时总投资成本降低16.16%，为化工行业深度脱碳提供创新解决方案。

　　

全球工业化进程推动CO₂排放量达36.8 Gt/年，大气CO₂浓度突破420 ppm临界值，引发极端气候事件频发。氢能作为高能量密度载体，在连接可再生能源与传统能源基础设施中展现独特优势，但其低体积能量密度和严苛存储条件促使研究者转向氢衍生物开发。甲醇因其卓越的储氢能力和运输可行性成为最优选择，然而现有电制甲醇(PtM)系统面临可再生能源间歇性与化工过程连续性的矛盾，以及电-氢-热多能流耦合导致的效率瓶颈。

为破解这些难题，研究人员开发了集成废热回收机制的电-氢-燃料能源系统。通过构建甲醇合成单元-储热罐-电解槽的热能传递链，将甲醇合成反应热转化为电解槽效能提升的驱动力。建立容量规划与运行调度的协同优化框架后，系统实现氢/甲醇日均产量分别增长3.66%和7.14%，整体能效与?效提升2.65%和2.13%。经济性分析显示，10%可再生能源弃电策略可使电解槽容量减少22.35%，储氢/氧罐容量降低19.78%/16.67%，系统总投资成本较全额消纳场景下降16.16%。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用多学科交叉方法：1）建立风光氢-生物质气化-甲醇合成的多能耦合模型；2）开发热力学与?分析框架量化废热回收效益；3）应用混合整数线性规划(MILP)优化设备容量与运行策略；4）基于Cplex求解器与MATLAB/Yalmip工具箱实现算法求解。

Modeling and optimization problem
系统包含可再生能源制氢、生物质气化合成甲醇、废热回收三大模块。通过电解槽将风光电力转化为氢气，与生物质气化产生的合成气共同驱动甲醇合成，反应热经储热罐存储后用于预热电解槽进水，形成闭环热管理。

Optimization results
废热回收使电解槽效率提升12.7%，储热罐参与调度后系统可再生能源消纳率提高9.8%。对比基准场景，优化后方案使单位甲醇生产成本降低18.3%，全生命周期碳排放减少23.5%。

Conclusion
该研究创新性地将甲醇合成放热过程与电解槽吸热需求耦合，首次实现PtM系统反应热的梯级利用。建立的协同优化机制突破传统电-氢-甲醇单向转换模式，通过热-电-氢三元协同将系统整体?损降低14.2%。允许可控可再生能源弃电的柔性运行策略，为高比例可再生能源系统的经济性设计提供新范式。

CRediT authorship contribution statement
Ziqi Sun完成模型构建与算法实现，Yunfeng Peng验证系统热力学模型，Zheng Zhou指导多能流耦合机制分析。三位作者声明无利益冲突。研究为化工行业实现《巴黎协定》1.5°C温控目标提供关键技术路径，其热集成思想可扩展至其他电燃料合成系统。