耦合优化与软链接优化在德国工业与能源系统脱碳分析中的对比研究：揭示跨部门协同效应与资源分配策略

本研究针对工业与能源系统脱碳过程中资源竞争与排放分配的关键问题，通过耦合优化与软链接优化对比分析，发现耦合方法能通过工业负排放(-24 Mt CO2)抵消能源系统排放，减少直接空气捕获(DAC)依赖，优化生物质分配，促进直接电气化。成果发表于《iScience》，为跨部门碳管理策略提供重要依据。

　　

在全球碳中和目标的紧迫背景下，工业与能源系统作为两大碳排放源，其协同脱碳面临严峻挑战。当前研究往往将这两个紧密关联的部门割裂分析，忽视了它们之间复杂的资源竞争与排放补偿关系。德国作为工业强国，其钢铁、水泥和高价值化学品(HVC)生产等能源密集型产业与能源系统的交互尤为显著。生物质、CO₂存储和氢能等有限资源如何在部门间分配？跨部门碳循环如何设计？这些问题直接关系到脱碳路径的成本效益和技术选择。

为解决这些关键问题，Célia Burghardt团队在《iScience》发表了创新性研究。研究人员构建了基于PyPSA框架的德国工业模型，涵盖钢铁、水泥和HVC生产等核心产业，并与欧洲能源系统模型PyPSA-Eur进行耦合。通过对比完全耦合优化与软链接优化两种方法，揭示了跨部门协同对技术选择和资源配置的深远影响。研究发现，耦合优化使工业部门通过生物质能结合碳捕集与封存(BECCS)实现-24 Mt CO₂的负排放，有效抵消能源系统残余排放，显著降低对高成本DAC的依赖。相比之下，软链接优化因无法考虑跨部门补偿效应，导致系统成本增加0.3%（2.11亿欧元）。

研究采用的关键技术方法包括：1) 基于PyPSA框架构建工业过程模型，整合钢铁、水泥和HVC生产的多种工艺路线；2) 与PyPSA-Eur能源系统模型耦合，实现电力、氢能和合成燃料的跨部门优化；3) 设置零排放约束下的绿色场优化，考虑生物质、CO₂存储等资源限制；4) 对比分析耦合与软链接两种优化配置的技术选择和成本差异。

研究结果部分通过多个维度展示了重要发现：

工业过程和工艺热方面，耦合优化中HVC生产更倾向于甲醇制烯烃(MTO)路线，而软链接优化则选择蒸汽裂解与合成石脑油。这种差异源于耦合方法能平衡CO₂和氢气的系统级需求。工业高温热在两种配置中均由生物质窑炉提供，但耦合情况下30 TWh中温热来自带BECCS的生物质窑炉，实现负排放。

能源系统结果显示，软链接配置需要更高的氢能需求(312 vs 296 TWh)，主要通过海外进口和电解满足。耦合配置则扩大可调度发电容量(德国节点73 GW vs 65 GW)，包括燃气热电联产(CHP)、电池和氢能涡轮机。值得注意的是，软链接配置因生物质被工业优先占用，无法扩展生物质CHP。

有限资源消耗方面，耦合优化实现了跨部门碳循环：1) 沼气循环通过光合作用捕获大气CO₂；2) 甲醇循环利用工业BECCS捕获的CO₂生产合成燃料。这种协同效应在软链接配置中被割裂，各部门单独实现碳中和。

成本比较表明，耦合优化虽仅降低总成本0.3%，但在氢能进口(-1.0亿欧元)和DAC(-3.3亿欧元)方面节省显著，体现了系统级优化的价值。软链接优化因无法内生化资源分配和排放补偿，导致次优解决方案。

研究结论强调，耦合优化能识别跨部门协同机会，特别是在生物质分配、碳循环设计和负排放策略方面。该方法揭示了软链接优化的局限性：预先设定的资源分配和部门排放目标可能导致系统成本增加。对政策制定者而言，研究结果支持整合视角下的碳管理战略，特别是在规划氢能和CO₂基础设施时需考虑跨部门连接。

该研究的创新价值在于首次系统量化了耦合优化对工业-能源系统协同脱碳的影响，为德国正在制定的碳管理战略和负排放技术规划提供了科学依据。未来研究可扩展至更高空间分辨率，并考虑工业负荷灵活性等动态因素，以进一步优化跨部门协同效益。