集成氢供应链优化：一种用于可再生能源转型的混合整数规划（MIP）方法

《International Journal of Hydrogen Energy》：Integrated hydrogen supply chain optimization: A MIP approach for renewable energy transition

　　泽伊内普·比尔詹·巴格达特利 | 内齐尔·阿伊丁 | 舒克兰·谢克尔
伊斯坦布尔阿特拉斯大学，工程与自然科学学院，工业工程系，卡克塔内，伊斯坦布尔，34408，土耳其

**摘要**
由于可再生能源能够减少二氧化碳排放、降低对进口能源的依赖，并通过利用国内资源增加就业机会，因此其重要性日益增加。开发高效的供应链系统是支持可再生能源广泛采用的最有效途径之一。在这方面，氢作为一种清洁且多用途的能量载体正受到关注，但其储存和分配仍面临关键挑战。关于氢供应链的研究主要集中在生产、产能或分配等单个方面，而非采取综合治理的方法。本研究旨在设计一个集成的氢供应链框架，整合这些要素，突出内在的权衡，并确定每种能源来源的最佳设施数量以最小化总成本。所提出的模型采用混合整数线性规划（MIP）形式，并以土耳其作为案例研究对象。研究结果表明，到2025年，大部分产能将集中在TR10和TR21地区实现，后续的增长主要得益于太阳能和地热能投资的推动。总体而言，太阳能和铁路运输发挥了主导作用，而风能由于成本较高而发展较为有限。

**引言**
能源是世界经济和社会发展的关键因素，对提高公民生活水平至关重要。世界人口的增长带动了所有国家的能源需求。提到全球能源需求时，人们首先想到的通常是石油和天然气。然而，根据现有资源预测，石油和天然气将在70年内耗尽[1]，这使得对可再生能源的需求大幅增加。自20世纪70年代中期起，特别是在油价上涨的背景下，可再生能源开始获得全球关注。风能和太阳能作为可持续能源系统的重要组成部分，不仅用于满足能源需求，还有助于减少碳排放、保护环境，并作为清洁能源使用，特别是在应对气候变化和全球变暖的威胁时[11]。尽管土耳其在经合组织国家中能源需求增长最快（尤其是在过去20年），但其约67.8%的能源依赖进口[12]，这对国民经济造成了较大负担。因此，近年来土耳其加大了可再生能源的发展力度。根据2017年颁布的《国家能源政策》，提高国内和可再生能源产量已成为土耳其的优先事项[13]。提高可再生能源系统的效率需要发展有效的供应链。在此背景下，氢这种环保能源的生产、储存和分配在向可持续能源转型中起着战略作用。由于其高效率、可从多种来源生产以及减少碳排放的潜力，氢在能源体系中占据核心地位。本研究通过提出基于液态氢（LH2）运输形式的可再生能源的整体解决方案，区别于现有文献中的研究。以往大多数研究仅关注特定能源或供应链的单一阶段；例如，基于生物质的模型主要分析系统结构和热需求满足情况，而其他可再生能源（如太阳能、风能和地热能）常被忽略。部分研究将虚拟发电厂纳入地理分布的网络中，以辅助生产和分配过程的规划。

**可再生能源供应链管理**
针对来自可再生能源并储存为氢的电力，其供应链管理涉及对可持续能源转型至关重要的组件和流程。当前的相关研究主要集中在技术进步、经济影响和监管方面。文献综述部分总结了相关研究内容。相比之下，本研究将需求、生产、产能和分配要素整合在一个框架内，并利用混合整数线性规划（MIP）方法进行建模。研究以太阳能、风能和地热能作为氢生产的主要能源来源，具体选取NUTS2分类下的三个子区域（TR10、TR21和TR22）作为测试对象。

**土耳其的可再生能源举措**
土耳其的可再生能源举措在减少对外依赖、推动向可持续能源转型以及通过减少碳排放应对环境污染和气候变化等全球性挑战方面具有战略意义。政府政策大力支持可再生能源的发展，国内清洁可靠的能源生产成为国家优先目标。根据2017年颁布的《国家能源和矿业政策》，提高可再生能源和本国资源的利用已成为基本原则。得益于这些政策，土耳其在可再生能源装机容量方面在欧洲排名第五、全球排名第十一。2025年的目标是实现总装机容量的60%以上来自可再生能源。2024年发布的《可再生能源2035路线图》计划将太阳能和风能产能从30吉瓦提高到120吉瓦，预计投资约为1080亿美元[14]。

**土耳其的可再生能源发展历程**
土耳其的可再生能源发展始于20世纪初的水电项目，首个商用水电厂于1902年在塔爾苏斯投入运营，装机容量为88千瓦。此后，水电在国家能源供应中发挥了重要作用[15]。1980年至2000年间，生物质能、风能和地热能的研究取得显著进展，尤其是在地热能领域[16]。21世纪初，随着国家政策对可再生能源的重视程度增加，进入了新的发展阶段。2001年颁布了《电力市场法》，2005年出台了《可再生能源资源利用法》（5346号），2007年和2008年又发布了进一步法规，系统性地支持了可再生能源投资，尤其是在风能和地热能方面的投资大幅增加[16]。凭借丰富的自然资源、不断增长的能源需求和有利政策，土耳其在可再生能源领域取得了显著进展。2019年，可再生能源发电量占总发电量的44%[17]，到2023年这一比例达到约138太瓦时[18]。然而，人口增长、城市化和经济扩张等因素持续推高能源需求。根据国际能源署的数据，土耳其的能源消耗从1990年的40,169千太瓦时增加到2000年的57,908千太瓦时，预计未来十年每年增长4-6%[19]。这一趋势进一步强调了可再生能源在保障能源供应安全中的重要性。

**研究方法**
本研究采用混合整数线性规划（MIP）方法解决问题，并在GAMS环境中构建了多期设施选址和运输优化模型。模型考虑了三种类型的可再生能源设施（风能、地热能和太阳能）、三个地区（TR10、TR21和TR22）以及11个时间周期（2025-2035年）和两种运输方式（公路和铁路）。目标函数旨在最小化总成本，包括设施建设和运输费用。

**结果与讨论**
研究结果显示，随着时间推移，土耳其的能源生产结构逐渐发展为一种平衡且专业化的模式，这一结构依赖于地区自然资源优势。太阳能成为所有时期的主导技术；投资多年保持稳定增长，尤其是在TR10和TR21地区，2025年的初始投资规模较大。地热能主要集中在TR22地区，其生产潜力得到充分发挥。

**作者贡献声明**
泽伊内普·比尔詹·巴格达特利：撰写初稿、数据可视化、软件应用、资源协调、项目管理、方法论设计、资金筹措、数据分析、概念化；
内齐尔·阿伊丁：监督工作；
舒克兰·谢克尔：监督工作。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
作者仅使用基于人工智能的工具进行文本优化，未生成任何科学内容。