中东与北非地区可再生能源制氢的技术经济可行性及生命周期温室气体排放地理空间分析

本研究针对中东与北非（MENA）地区可再生能源制氢的成本与碳强度（CI）差异问题，通过地理空间技术经济分析与生命周期评估（LCA），优化质子交换膜（PEM）电解槽容量配比（PV系统52%-63%，风电28%-82%），揭示氢成本（PV：3.8-4.8美元/kg，风电：2.0-7.0美元/kg）与CI（PV：1.9-3.7 kg CO2,eq/kg H2，风电：0.4-7.7 kg CO2,eq/kg H2）的区域分布规律，为绿色氢能规模化开发提供关键决策依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注，但当前主要依赖化石燃料制取的"灰氢"（碳强度>9 kg CO_2,eq/kg H₂）仍占主导地位。中东与北非（MENA）地区虽拥有全球最优的太阳能（年辐照量>2000 kWh/m²）和风能资源，却面临水资源短缺、电解槽动态运行损耗等技术经济挑战。传统研究多忽视可再生能源波动对质子交换膜（PEM）电解槽的循环负荷影响，且缺乏区域尺度的精细化评估。

为破解这些难题，阿美石油公司（Aramco Americas）支持的科研团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次构建融合小时级可再生能源波动、PEM退化模型和生命周期温室气体核算的地理空间分析框架。研究采用四阶段方法：1）基于NASA气象数据建立光伏（PV）和风力涡轮机（WT）发电模型；2）耦合PEM电解槽动态效率算法；3）开发考虑设备退化成本的平准化氢成本（LCOH）模型；4）整合供应链排放的生命周期评估（LCA）。

关键研究发现

1. 可再生能源潜力分布
   沙特西部沿海和埃及尼罗河三角洲的风电特定产电率（SY_el）达5.5 MWh/kW，而PV系统在撒哈拉沙漠区年发电量超2,300 kWh/kW，证实MENA地区"风光互补"的天然优势。

2. PEM电解槽最优配比
   为平衡间歇性发电与电解槽损耗，PV系统需配置52%-63%额定容量的PEM，风电系统则需28%-82%。也门等低风速区需更高配比（>75%）以维持连续运行。

3. 成本与碳强度图谱
   风电制氢成本最低达2.0美元/kg（摩洛哥大西洋沿岸），PV系统成本区间为3.8-4.8美元/kg。碳强度呈现显著地理差异：风电制氢CI最低0.4 kg CO_2,eq/kg H₂（苏丹草原带），而PV系统因硅料供应链排放导致CI升高至3.7 kg CO_2,eq/kg H₂。

4. 电网协同效应
   在阿联酋等电网低碳地区（CI<0.3 kg CO₂/kWh），适度并网可降低PEM启停损耗，使LCOH减少12%，但需控制电网供电占比<15%以避免CI反弹。

研究启示
该研究首次量化了PEM电解槽在真实可再生能源波动下的性能衰减对氢能经济性的影响，提出"资源-技术-环境"三位一体的区域优化路径。若采用研究推荐的最优配置，到2030年MENA地区绿色氢产能可提升40%，同时降低生命周期排放28%。成果为沙特NEOM（规划产能1.2百万吨/年）等旗舰项目提供了选址与设计基准，也为全球氢能贸易中的碳足迹认证建立方法论基础。值得注意的是，研究指出电解水制氢的淡水需求（~9 L/kg H₂）需结合海水淡化解决，这将成为后续研究重点。