《Biomass and Bioenergy》：Renewable hydrogen for oil refining: a technical, economic and environmental optimisation approach
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本研究针对炼油厂氢能低碳化需求，采用混合整数线性规划(MILP)模型，系统评估了乙醇蒸汽重整(Ethanol_ESR)、质子交换膜电解(PEM_Electrolysis)、酒糟生物甲烷重整(Vinasse_BD_SMR)和木材气化(GS_WGS)四种可再生能源制氢路径。结果表明生物质废物利用路线具有显著优势，其内部收益率(IRR)超35%，碳排放降低60%以上，为炼油业脱碳提供了关键技术路径。
随着全球能源转型进程加速，炼油工业作为能源供应链的关键环节，正面临严峻的碳排放挑战。据统计，炼油厂贡献了全球约9%的固定碳排放量，位列工业排放源第三位，其中加氢处理和加氢裂化等核心工艺的化石氢消耗是主要排放来源。在巴西这样具备丰富生物质资源和可再生能源电力的国家，利用可再生能源制氢替代传统化石氢，已成为炼油业 decarbonization 的重要路径。然而，当前研究多集中于单一制氢技术的优化，缺乏对多技术路线在区域物流、资源可获得性等综合因素下的系统评估。
为解决这一难题，来自巴西拉夫拉斯联邦大学的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表了创新性研究。该研究首次构建了集成技术-经济-环境维度的混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming, MILP)优化模型，以巴西米纳斯吉拉斯州66个微区域为研究对象，系统比较了四种可再生能源制氢路径的综合性能。
研究团队采用LINGO 20?软件平台建立了单目标优化模型，以最小化总年度成本(Total Annualized Cost, TAC)为目标函数，统筹考虑了固定资产投资(CAPEX)、运营成本(OPEX)、原料采购与运输等关键经济参数。模型创新性地将区域物流网络与生产工艺相耦合，通过二进制决策变量(Y)和产能变量(W)的协同优化，实现了生产布局与运输路径的智能决策。在环境评估方面，研究采用全生命周期视角，量化了从原料获取到氢产品运输各环节的温室气体(GHG)排放。
3.1 技术成本分析
通过模型优化发现，不同技术路线的成本结构存在显著差异。乙醇蒸汽重整(Ethanol_ESR)技术虽然固定资产投资最低(362 USD/t H2)，但受制于乙醇原料的高成本(4042 USD/t H2)，总生产成本达4475 USD/t H2。质子交换膜电解(PEM_Electrolysis)技术则因电解槽设备昂贵，固定资产投资高达1037 USD/t H2，且电力成本占运营成本的70%以上。木材气化(GS_WGS)路线虽需较高固定资产投资(739 USD/t H2)和运输成本(385 USD/t H2)，但得益于低廉的木材原料，总成本控制在2578 USD/t H2。最具经济竞争力的是酒糟生物甲烷重整(Vinasse_BD_SMR)技术，其原料成本仅302 USD/t H2，总成本1904 USD/t H2最接近灰氢价格区间。
3.2 经济性能比较
财务指标显示，生物质利用路线展现突出优势。GS_WGS技术的净现值(NPV)达1204百万美元，内部收益率(IRR)36%，投资回收期仅3年；Vinasse_BD_SMR技术表现更佳，NPV为1582百万美元，IRR高达44%。相比之下，Ethanol_ESR技术的IRR为18%，回收期7年；PEM_Electrolysis技术经济性最差，IRR仅9%，回收期长达14年。这表明基于废弃物的制氢路线在当前技术条件下最具投资价值。
3.3 敏感性分析
当氢售价波动±20%时，生物质路线的经济稳定性显著优于其他技术。Vinasse_BD_SMR和GS_WGS在售价下降20%时仍保持3-4年回收期，而Ethanol_ESR和PEM_Electrolysis的回收期则超过20年，凸显前者抗风险能力更强。当最低可接受收益率(MARR)从20%升至40%时，所有技术的最低售价均需提高，但生物质路线的涨幅相对平缓，进一步验证其投资安全性。
3.4 环境绩效评估
碳排放分析表明，所有可再生能源制氢路线均实现60%以上的减排效果。其中GS_WGS技术表现最佳，碳排放强度仅0.2 kg CO2/kg H2，较灰氢(11 kg CO2/kg H2)降低98%；Vinasse_BD_SMR技术次之(0.37 kg CO2/kg H2)；PEM_Electrolysis受电网碳强度影响为1.71 kg CO2/kg H2；Ethanol_ESR因乙醇生产链排放较高，为4 kg CO2/kg H2，但仍较灰氢降低64%。
该研究通过多维度综合分析证明，基于生物质和农业废弃物的制氢路线在技术可行性、经济竞争性和环境友好性方面均具显著优势。特别是Vinasse_BD_SMR和GS_WGS路线，不仅可实现与灰氢价格区间的对接，更能大幅降低碳排放，为炼油业深度脱碳提供切实可行的技术路径。研究提出的MILP优化框架为区域氢能供应链规划提供了科学方法论，其集成建模思路可推广至其他可再生能源系统优化领域。未来随着电解槽成本下降和可再生能源电力比例提升，PEM_Electrolysis技术的竞争力有望增强，形成与生物质路线的互补发展格局。
