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电解氧分配成本优化：基于葡萄牙绿色钢铁与医院案例的数学框架与经济效益分析
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年07月01日 来源：Renewable Energy Focus 4.2
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推荐：本研究针对钢铁行业脱碳过程中电解产生的过量氧气利用问题，构建了基于车辆路径优化模型（CVRP）的分配系统。通过葡萄牙绿色钢铁厂向21家医院配送液氧的案例，证实年销售6007吨氧气（0.7�/kg）可实现3910万欧元净现值（NPV）和248%内部收益率（IRR），为电解氧商业化提供了经济可行的物流方案。
钢铁工业占全球碳排放的7%，其脱碳进程对气候目标至关重要。氢基直接还原铁（DRI）结合电弧炉（EAF）技术虽能大幅降低碳排放，但电解水制氢过程中产生的氧气与氢气质量比为8:1，远超钢铁生产需求，导致过量氧气被排放。如何经济高效地利用这些"废品"成为产业痛点。
葡萄牙的研究团队以该国Seixal地区年产110万吨的废钢冶炼厂为案例，假设其通过64MW电解槽生产绿氢并配套DRI-EAF工艺，量化了每年10,999吨的过量氧气资源。针对医疗行业氧气需求稳定、价格较高的特点，研究人员构建了包含液化、储存和运输的全链条成本模型，并创新性地采用带容量约束的车辆路径问题（CVRP）算法优化配送路线。研究覆盖里斯本大都会区及周边三大区域的21家主要医院，通过地理信息系统（GIS）精确建模运输网络。
关键技术方法包括：1）基于OpenStreetMap和Pyomo库的GIS路径优化；2）液氧生产能耗模型（450kWh/tO2）；3）20吨级液氧槽车车队的经济性模拟；4）净现值（NPV）和成本效益比（BCR）等财务指标计算。医院氧气需求数据来自葡萄牙国家卫生系统（SNS）的病床数统计，按350kgO2/床·年的标准换算。
【数学框架】
研究建立了以NPV为核心的评价体系，将成本拆分为液化（CAPEX 883万欧元）、储存（138m3低温罐）和运输三部分。通过将运输成本转化为单位距离成本系数c（含柴油费1.58�/L、司机工资13�/h等），构建混合整数线性规划（MILP）模型，确保每辆卡车单次载量≤20吨且客户仅被访问一次。
【案例验证】
优化结果显示：1）每周需6趟运输，双卡车配置下年行驶距离18.7万公里；2）液化成本占比57%（电力消耗占44.3%），运输占39.9%（燃料费占38.7%）；3）在0.7�/kgO2售价下，NPV达3915万欧元，BCR为8.25；即使售价降至工业级0.3�/kg，BCR仍保持3.54。
【经济敏感性】
贴现率敏感性测试表明：当贴现率从3%升至11%时，0.7�/kg方案的NPV从4950万欧元降至3040万欧元，但DPP（贴现回收期）始终短于0.5年。研究同时发现，氧气售价的盈亏平衡点低至0.0848�/kg，意味着该模式在污水处理等新兴市场仍具拓展潜力。
该研究证实电解氧商业化配送具有超预期经济性，其创新点在于：1）首次将CVRP模型应用于电解氧分配；2）量化了液氧供应链各环节成本占比；3）揭示了医疗与工业场景的差异化盈利空间。成果为钢铁企业脱碳提供了"氢氧双收益"的新思路，同时为医疗氧供应安全提供了绿色解决方案。论文的局限性在于未考虑压缩氧运输方案，未来研究可对比不同物态配送的经济性差异。
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