《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A GIS-based hybrid fuzzy decision framework for land–sea coordinated site suitability assessment of island renewable hydrogen-based energy systems
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摘要岛屿可再生能源制氢能源系统需要对海上制氢设施与陆地燃料转化设施进行协同选址。现有研究通常孤立地评估陆地或海上设施，在指标设计中忽视了能源-化工耦合关系，仅依据适宜性对选址进行排名，而忽略了站场间的氢气运输；排名最高的选址可能无法构成最优系统。本研究建立了一套海陆协同框架，
摘要
岛屿可再生能源制氢能源系统需要对海上制氢设施与陆地燃料转化设施进行协同选址。现有研究通常孤立地评估陆地或海上设施，在指标设计中忽视了能源-化工耦合关系，仅依据适宜性对选址进行排名，而忽略了站场间的氢气运输；排名最高的选址可能无法构成最优系统。本研究建立了一套海陆协同框架，其中基于地理信息系统（GIS）的筛选划定可行区域，混合模糊多准则决策方法通过反映能源-化工耦合的两级指标体系对单个站址进行排名，混合整数线性规划则识别出包含氢气运输在内的全链路成本最低的海上-陆地组合方案。结果表明，以中国海南岛为例，排名最高的海上站址A4与陆上站址B8由于间距过长而未能形成最优系统。在25个入围组合中，将A4与排名较低但距离更近的B1配对，可实现最低的全链路平准化成本，即每公斤氨加每公斤甲醇共15.93元，其中氢气运输占系统成本的26%。在考虑资源、成本和需求不确定性的10000次蒙特卡洛试验中，该组合在86.5%的试验中保持最优。因此，氢气运输可以重塑海陆空间布局，使得独立的选址评估容易陷入次优解。该框架可推广至其他地区。
引言
在全球碳中和与能源转型战略的推动下，氢能已成为难减排部门深度脱碳的关键二次清洁能源载体[1]。然而，其物理特性使得储运面临挑战[2]：气态运输需要高压且容量有限，而液态运输则依赖能耗巨大的深冷条件[3]。因此，下游氢转化已成为克服运输瓶颈的一条有前景的途径[4]、[5]。随着国际海事组织（IMO）的倡议和重工业脱碳进程，低碳氢衍生物的需求正迅速增长[6]。
岛屿面临结构性清洁能源矛盾：一方面资源丰富，另一方面消费约束较高[7]。尽管岛屿周边拥有丰富的风能和太阳能资源[8]，但由于本地电力需求低且海底电缆成本高，岛屿难以高效利用这些海上资源[9]、[10]。本研究以风-光-氢-氨-甲醇（WPHAM）构型为代表，研究一种岛屿可再生能源制氢能源系统，其中海上可再生能源电力转化为氢气后运抵岛屿，用于合成氨和甲醇。该模式将海上资源利用与绿色化工产业化联系起来[11]。由于海上生产与陆上转化通过氢气运输相连接，此类系统的选址是一个系统级问题而非设施级问题，独立选出的最优站址未必能构成最优系统。
目前，关于岛屿WPHAM系统的综合海陆评价研究仍然稀缺。对于内陆项目，Zhou等[12]开发了风-光-氢-氨项目的空间模拟与优化模型；Dong等[13]采用混合多属性决策方法进行风-光-氢-氨-甲醇选址；Hao等[14]评估了政策与耦合技术风险。这些研究将综合项目视为单一陆地节点，采用的指标未区分生产与转化环节，且在适宜性或风险评估中未考虑站址组合。对于海上能源岛，Wang等[15]为结合海水制氢和甲醇供应的海上礁石开发了一种质量-能量网络；Zhang等[16]建立了一个整合风电制氢与船舶氨燃料加注站的海上能源系统。这些研究侧重于单一系统优化，但既未涉及陆上节点，也未涉及选址决策本身。
关于海陆运输，Liu等[17]和Chen等[18]证明了通过船舶或管道输送海上氢气在技术上的可行性；Hu等[19]进一步证实，在50公里以内的短距离条件下，气态船舶运输具有成本优势。虽然这些研究为短距离运输提供了基础，但仍局限于运输可行性与成本层面。在指标结构和优化目标方面，上述研究要么评估单个项目或发电资产，而非两个功能不同的节点；要么按适宜性对候选方案排名[12]、[13]，要么在预设位置下最小化成本[15]、[16]、[19]。尚无研究同时确定两个节点应位于何处以及它们之间的连接如何影响系统成本。
WPHAM系统的综合海陆选址面临跨空间和多维约束[20]、[21]。上游海上生产受资源禀赋、海洋条件和生态红线约束，而下游岛屿转化则需满足土地利用、化工安全和基础设施的限制[22]。上下游站址之间的空间关系进一步决定了系统成本，这是传统单空间选址方法所无法处理的。这些约束还重新塑造了指标设计。以往研究通常针对单一空间节点聚焦于自然资源、经济成本和生态红线，例如海上风光电场[23]或陆地水电厂[24]。随着Power-to-X技术将可再生氢延伸至氨和甲醇生产[25]，选址已从能源开发评估演变为能源-化工协同评估，对安全和原料兼容性提出了更严格的要求。现有指标体系未能捕捉这些跨空间协同效应[26]。
在方法学方面，地理信息系统（GIS）被广泛用于可再生能源选址[27]、[28]、[29]，并经常与多准则决策（MCDM）方法耦合[30]、[31]以纳入专家偏好。近期的GIS-MCDM研究进一步纳入了技术经济潜力和资源互补性[32]、[33]，但它们评估的是各地点的发电资产，未考虑空间分离的设施之间的物流成本。因此仍存在三个研究缺口：第一，现有研究孤立地评估内陆或海上设施，缺乏海陆空间协调；第二，现有指标体系忽视了岛屿WPHAM系统中固有的能源-化工耦合关系；第三，选址适宜性尚未与系统级优化相结合：由于忽略了站场间的氢气运输，单独排名最高的站址可能无法构成最优系统。
为解决上述问题，本文提出了一种三阶段框架。第一阶段关注空间可行性，通过GIS筛选划定可行的海陆区域。第二阶段关注选址适宜性。由于评价指标同时包含波动的定量数据和犹豫的专家判断，本研究引入了混合模糊信息集[34]、[35]、[36]。为平衡专家偏好与数据中所蕴含的信息，将改进BWM[37]得到的主观权重与改进CRITIC[38]得到的客观权重通过博弈论[39]进行组合，并利用MULTIMOORA[40]、[41]、[42]整合三种聚合视角以确保排名稳健性。第三阶段关注系统优化，通过混合整数线性规划（MILP）模型[43]最小化包含站场间氢气运输在内的全链路成本，以确定最优的海陆组合方案。本研究的贡献如下：
- (1)
为岛屿可再生能源制氢能源系统建立了一套海陆协同评估框架。该框架将海上制氢与陆上氢基燃料转化视为通过氢气运输连接的空间耦合子系统，而非独立的选址问题。
- (2)
为海陆协同可再生能源制氢能源系统建立了一套多维度的选址适宜性指标体系。与传统的单节点评估不同，所提出的两级体系同时对海上制氢和陆上制氨、制甲醇进行评估。该体系纳入了系统特有指标，包括邻避（NIMBY）距离、碳源可得性、化学燃料储运安全以及应急响应能力，从而捕捉了能源-化工耦合关系。
- (3)
将选址适宜性评估与系统级优化相结合，从孤立的设施级评估迈向综合系统视角。通过纳入站场间的氢气运输，MILP模型捕捉了可再生氢价值链上的跨空间成本相互依赖性——这是站址级排名无法反映的——表明单独排名最高的站址并不一定能构成系统最优配置。
章节摘要
研究框架
本研究建立了一套用于海陆协同选址的三阶段框架（图1(A)）。第一阶段评估空间可行性：通过GIS叠加分析应用限制性指标划定技术上允许开发的区域，并采用各区域中最大的十个可行地块的质心作为候选站址。第二阶段评估选址适宜性：采用混合模糊MCDM方法对候选站址进行多准则排名，
案例研究
海南岛太阳能和沿海风能资源丰富，在中国沿海地区名列前茅。海南致力于建设"清洁能源岛"，已发布中长期氢能发展规划，并在东方和儋州实施了新能源示范项目，这为多源空间数据的获取和所提指标体系的验证提供了便利。因此，本研究选取海南岛作为案例研究对象。
结论
针对岛屿清洁能源大规模消纳和氢能长距离储运困难的问题，本研究提出了一种综合WPHAM系统的跨空间耦合模型，并构建了融合GIS、MCDM和MILP的三阶段决策框架，以应对空间异质性、多维约束和不确定性。以海南岛为案例研究对象，主要结论如下：
CRediT作者贡献声明
马元培（Yuanpei Ma）：初稿撰写、可视化、方法论、概念化。李万英（Wanying Li）：审阅与编辑、监督指导、方法论、经费获取、概念化。石梦宇（Mengyu Shi）：可视化、数据整理、概念化。王培军（Peijun Wang）：可视化、数据整理、概念化。徐传波（Chuanbo Xu）：审阅与编辑、初稿撰写、可视化、监督指导、经费获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（72303063、U23B20124）、中央高校基本科研业务费（2026MS038）以及山东省自然科学基金（ZR2026QC0620）的资助。
许方林|马元培|李万英|石梦宇|王培军|徐传波
